ES2829568T3 - Biomedical patches with aligned fibers - Google Patents

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Matthew Macewan
Jingwei Xie
Zack Ray
Younan Xia
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Washington University in St Louis WUSTL
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Abstract

Un método para producir una estructura de fibras, comprendiendo el método: cargar eléctricamente uno o más primeros electrodos que definen un área con una primera polaridad; cargar eléctricamente un segundo electrodo situado dentro del área definida con la primera polaridad; cargar eléctricamente una hilera con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad, en donde la hilera está alineada con el segundo electrodo; y dispensar un polímero desde la hilera para crear una estructura de fibras que se extiende desde el segundo electrodo hasta el primer o los primeros electrodos.A method of producing a fiber structure, the method comprising: electrically charging one or more first electrodes defining an area with a first polarity; electrically charging a second electrode located within the area defined with the first polarity; electrically charging a row with a second polarity opposite the first polarity, wherein the row is aligned with the second electrode; and dispensing a polymer from the spinneret to create a fiber structure extending from the second electrode to the first electrode (s).

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Parches biomédicos con fibras alineadasBiomedical patches with aligned fibers

AntecedentesBackground

Numerosos procedimientos quirúrgicos tienen como resultado la perforación o eliminación de tejido biológico, como por ejemplo la membrana fibrosa impermeable al agua que rodea el cerebro, conocida como duramadre. En algunos casos, por ejemplo, en los procedimientos neuroquirúrgicos mínimamente invasivos, se crea un número relativamente reducido de pequeños orificios en la duramadre, mientras que, en otros, por ejemplo, la resección quirúrgica de tumores avanzados, se pueden eliminar grandes secciones de la duramadre. En todos estos casos, la barrera de tejido que rodea el cerebro debe ser reparada para evitar daños a los tejidos corticales y la fuga de líquido cefalorraquídeo. Para facilitar esta reparación, los neurocirujanos utilizan láminas de materiales poliméricos o tejido procesado, que actúan como la duramadre nativa, y que se conocen por el nombre de sustitutos durales.Many surgical procedures result in the perforation or removal of biological tissue, such as the water-impermeable fibrous membrane that surrounds the brain, known as the dura. In some cases, for example minimally invasive neurosurgical procedures, relatively few small holes are created in the dura, while in others, for example surgical resection of advanced tumors, large sections of the dura can be removed. dura mater. In all of these cases, the tissue barrier surrounding the brain must be repaired to prevent damage to cortical tissues and leakage of cerebrospinal fluid. To facilitate this repair, neurosurgeons use sheets of polymeric materials or processed tissue, which act like native dura, and are known as dural substitutes.

Al menos algunos sustitutos durales conocidos y utilizados en clínicas neuroquirúrgicas están compuestos de una matriz de colágeno acelular obtenida a partir de tejidos bovinos o porcinos aislados. Aunque generalmente son aceptados en este campo, dichos sustitutos durales xenogénicos pueden aumentar la incidencia de adherencias y contracturas, transmitir diversas enfermedades zoonóticas a los pacientes y, por lo general, afectar negativamente la evolución de los pacientes después de la cirugía. Además, los injertos de colágeno procesado resultan sumamente caros, costándoles a pacientes y compañías de seguros miles de dólares por procedimiento.At least some known dural substitutes used in neurosurgical clinics are composed of an acellular collagen matrix obtained from isolated bovine or porcine tissues. Although generally accepted in this field, such xenogeneic dural substitutes can increase the incidence of adhesions and contractures, transmit various zoonotic diseases to patients, and generally adversely affect the outcome of patients after surgery. Additionally, processed collagen grafts are extremely expensive, costing patients and insurance companies thousands of dollars per procedure.

Además, aunque las micromatrices celulares pueden ser útiles en investigaciones biomédicas e ingeniería de tejidos, al menos algunas técnicas conocidas para la producción de dichas micromatrices celulares pueden ser costosas y requerir un largo periodo de tiempo, y también pueden requerir el uso de instrumentos especializados y sofisticados. Furthermore, although cell microarrays can be useful in biomedical research and tissue engineering, at least some known techniques for the production of such cell microarrays can be expensive and require a long period of time, and can also require the use of specialized instruments and sophisticated.

En la patente japonesa n.° 2008223186 A se divulgan un método y un aparato para producir nanofibras, mediante los cuales se puede mejorar la orientación de las nanofibras acumuladas en un colector.A method and apparatus for producing nanofibers are disclosed in Japanese Patent No. 2008223186 A, by which the orientation of accumulated nanofibers in a collector can be improved.

En la patente estadounidense n.° 3.280.229 A se divulgan un método y un aparato para la producción de tejidos no tejidos en patrón y texturizados, en donde los filamentos hilados eléctricamente se agregan en haces o grupos que definen un patrón controlado de agregados de alta densidad de filamentos.A method and apparatus for the production of patterned and textured nonwoven fabrics are disclosed in US Patent No. 3,280,229 A, wherein electrically spun filaments are aggregated into bundles or groups that define a controlled pattern of aggregates of high density of filaments.

En la patente estadounidense n.° 2005/104258 A1 se divulgan un método y un aparato para la formación de fibras electrohiladas que se depositan sobre una superficie colectora para formar de este modo una estructura de polímero con un patrón.A method and apparatus for forming electrospun fibers which are deposited on a collecting surface to thereby form a patterned polymer structure are disclosed in US Patent No. 2005/104258 A1.

En la patente estadounidense n.° 2006/264140 A1 se divulgan un aparato y un método para electrohilar bajo una primera polaridad eléctrica primeras fibras de una primera sustancia, electrohilar bajo una segunda polaridad eléctrica fibras de una segunda sustancia y unir las primeras y segundas fibras para formar una estera de fibra.An apparatus and method for electrospinning under a first electrical polarity first fibers of a first substance, electrospinning under a second electrical polarity fibers of a second substance and joining the first and second fibers are disclosed in US Patent No. 2006/264140 A1. to form a fiber mat.

SumarioSummary

De conformidad con un aspecto de la invención, se da a conocer un método para producir una estructura de fibras, y este método comprende cargar eléctricamente uno o más primeros electrodos que definen un área con una primera polaridad, cargar eléctricamente un segundo electrodo situado dentro del área definida con la primera polaridad, cargar eléctricamente una hilera (spinneret) con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad, en donde la hilera está alineada con el segundo electrodo, y dispensar un polímero desde la hilera para crear una estructura de fibras que se extiende desde el segundo electrodo hasta el uno o más primeros electrodos.In accordance with one aspect of the invention, a method for producing a fiber structure is disclosed, and this method comprises electrically charging one or more first electrodes defining an area with a first polarity, electrically charging a second electrode located within the defined area with the first polarity, electrically charging a die (spinneret) with a second polarity opposite the first polarity, wherein the die is aligned with the second electrode, and dispensing a polymer from the die to create a structure of fibers extends from the second electrode to the one or more first electrodes.

De conformidad con otro aspecto de la invención, se da a conocer un aparato para producir una estructura que incluye una pluralidad de fibras, comprendiendo este aparato una pluralidad de primeros electrodos que circunscriben al menos parcialmente un área, un segundo electrodo situado dentro del área y acoplado eléctricamente a los primeros electrodos y una fuente de alimentación acoplada eléctricamente a los primeros electrodos y al segundo electrodo, en donde la fuente de alimentación está configurada para cargar eléctricamente los primeros electrodos y el segundo electrodo con una primera polaridad, en donde cuando una hilera alineada con el segundo electrodo y cargada con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad dispensa un polímero, el polímero dispensado forma una pluralidad de fibras que se extienden desde el segundo electrodo a los primeros electrodos.In accordance with another aspect of the invention, an apparatus is disclosed for producing a structure that includes a plurality of fibers, this apparatus comprising a plurality of first electrodes at least partially circumscribing an area, a second electrode located within the area, and electrically coupled to the first electrodes and a power source electrically coupled to the first electrodes and the second electrode, wherein the power source is configured to electrically charge the first electrodes and the second electrode with a first polarity, wherein when a row aligned with the second electrode and charged with a second polarity opposite the first polarity dispenses a polymer, the dispensed polymer forms a plurality of fibers extending from the second electrode to the first electrodes.

Una o varias divulgaciones descritas en la presente proporcionan estructuras que tienen una pluralidad de fibras alineadas (por ejemplo, alineadas radialmente y/o alineadas de forma poligonal). Cuando dicha estructura se usa como un parche biomédico, la alineación de las fibras, tal y como se describe en la presente, puede proporcionar indicaciones direccionales que influyen en la propagación celular. Por ejemplo, las estructuras proporcionadas pueden promover un nuevo crecimiento celular a lo largo de las fibras, de manera que se puede obtener la propagación celular en una o varias direcciones deseadas. One or more disclosures described herein provide structures that have a plurality of aligned fibers (eg, radially aligned and / or polygonally aligned). When such a structure is used as a biomedical patch, the alignment of the fibers, as described herein, can provide directional cues that influence cell spread. For example, the structures provided can promote new cell growth along the fibers, so that cell propagation in one or more desired directions can be obtained.

Se pueden crear una o más estructuras divulgadas proporcionadas usando un aparato que incluye uno o más primeros electrodos que definen un área y/o circunscriben parcialmente un área. Por ejemplo, un único primer electrodo puede encerrar el área, o se puede colocar una pluralidad de uno o más primeros electrodos en al menos una parte del perímetro del área. Se coloca un segundo electrodo dentro del área. En ejemplos de divulgaciones, cuando los electrodos se cargan eléctricamente con una primera polaridad, y una hilera que dispensa un polímero (por ejemplo, hacia el segundo electrodo) se carga eléctricamente con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad, el polímero dispensado forma una pluralidad de fibras que se extienden desde el segundo electrodo hasta los primeros electrodos. Además, los electrodos con superficies redondeadas (por ejemplo, convexas) pueden configurarse en una matriz, y una estructura fibrosa creada usando dichos electrodos puede incluir una matriz de pocillos en las posiciones correspondientes a las posiciones de los electrodos.One or more disclosed structures provided can be created using an apparatus that includes one or more first electrodes that define an area and / or partially circumscribe an area. For example, a single first electrode can enclose the area, or a plurality of one or more first electrodes can be positioned on at least a portion of the perimeter of the area. A second electrode is placed within the area. In exemplary disclosures, when the electrodes are electrically charged with a first polarity, and a spinneret dispensing a polymer (for example, toward the second electrode) is electrically charged with a second polarity opposite the first polarity, the dispensed polymer forms a plurality of fibers extending from the second electrode to the first electrodes. Furthermore, electrodes with rounded (eg, convex) surfaces can be configured in an array, and a fibrous structure created using such electrodes can include an array of wells at positions corresponding to the positions of the electrodes.

El ámbito de la protección está definido por las reivindicaciones. Cualquier materia objeto que se encuentre fuera del ámbito de las reivindicaciones se proporciona tan solo con fines comparativos.The scope of protection is defined by the claims. Any subject matter outside the scope of the claims is provided for comparative purposes only.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Se pueden comprender mejor las realizaciones descritas en la presente haciendo referencia a la siguiente descripción, acompañada de los dibujos adjuntos.The embodiments described herein can be better understood by referring to the following description, accompanied by the accompanying drawings.

La Figura 1 es un diagrama en el que se ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de un sistema de electrohilado (electrospinning) para producir una estructura de fibras alineadas radialmente.Figure 1 is a diagram illustrating a perspective view of an example of an electrospinning system for producing a radially aligned fiber structure.

La Figura 2 es un diagrama en el que se ilustra un campo eléctrico generado por el sistema de electrohilado mostrado en la Figura 1.Figure 2 is a diagram illustrating an electric field generated by the electrospinning system shown in Figure 1.

La Figura 3 es un diagrama de un electrodo retirado del sistema de electrohilado mostrado en la Figura 1 y que tiene una pluralidad de fibras depositadas sobre el mismo que forman un parche biomédico.Figure 3 is a diagram of an electrode removed from the electrospinning system shown in Figure 1 and having a plurality of fibers deposited thereon that form a biomedical patch.

La Figura 4 es una fotografía de un parche biomédico que incluye una pluralidad de fibras electrohiladas alineadas radialmente depositadas sobre un electrodo periférico.Figure 4 is a photograph of a biomedical patch that includes a plurality of radially aligned electrospun fibers deposited on a peripheral electrode.

La Figura 5 es una imagen de un microscopio electrónico de barrido (SEM) del parche biomédico mostrado en la Figura 4, en la que se ilustra además que las fibras del parche biomédico están alineadas radialmente.Figure 5 is a scanning electron microscope (SEM) image of the biomedical patch shown in Figure 4, further illustrating that the fibers of the biomedical patch are radially aligned.

La Figura 6 es una ilustración de una hilera de fibras sólidas.Figure 6 is an illustration of a row of solid fibers.

La Figura 7 es una ilustración de una hilera de fibras huecas.Figure 7 is an illustration of a hollow fiber spinneret.

La Figura 8 es una ilustración de una capa de parche biomédico con una pluralidad de fibras orientadas aleatoriamente, una capa de parche biomédico con una pluralidad de fibras alineadas radialmente y un parche biomédico de múltiples capas que incluye múltiples órdenes de fibras.Figure 8 is an illustration of a biomedical patch layer with a plurality of randomly oriented fibers, a biomedical patch layer with a plurality of radially aligned fibers, and a multilayer biomedical patch that includes multiple arrays of fibers.

La Figura 9 es un diagrama de un colector con un electrodo central, un electrodo periférico interno que define un área cerrada interna, y un electrodo periférico externo que define un área cerrada externa.Figure 9 is a diagram of a collector with a center electrode, an inner peripheral electrode defining an inner closed area, and an outer peripheral electrode defining an outer closed area.

La Figura 10 es un diagrama de un parche biomédico concéntrico que puede producirse utilizando el colector mostrado en la Figura 9 en conjunción con el sistema de electrohilado mostrado en la Figura 1.Figure 10 is a diagram of a concentric biomedical patch that can be produced using the manifold shown in Figure 9 in conjunction with the electrospinning system shown in Figure 1.

La Figura 11 es un diagrama de flujo de un ejemplo de método para producir una estructura de fibras alineadas radialmente usando un electrodo periférico que define un área cerrada y un electrodo central situado aproximadamente en un centro del área cerrada.Figure 11 is a flow chart of an exemplary method for producing a radially aligned fiber structure using a peripheral electrode defining a closed area and a center electrode located approximately in a center of the closed area.

La Figura 12 es un diagrama de flujo de un ejemplo de método para reparar un defecto, daño o vacío en un tejido biológico.Figure 12 is a flow chart of an exemplary method for repairing a defect, damage, or void in biological tissue.

La Figura 13 es una ilustración esquemática de una infiltración celular de un parche biomédico a partir de un tejido dural intacto adyacente al borde de un parche biomédico.Figure 13 is a schematic illustration of cellular infiltration of a biomedical patch from intact dural tissue adjacent to the edge of a biomedical patch.

Las Figuras 14A-14D son micrografías de fluorescencia en las que se compara la migración de células cuando se cultivaron tejidos de duramadre en armazones de nanofibras alineadas radialmente y nanofibras orientadas aleatoriamente durante 4 días.Figures 14A-14D are fluorescence micrographs comparing cell migration when dura tissues were grown on scaffolds of radially aligned nanofibers and randomly oriented nanofibers for 4 days.

La Figura 15 es un diagrama esquemático de un sistema de cultivo de células diseñado a medida para modelar la respuesta de curación de heridas de defectos o vacíos en un tejido biológico. Figure 15 is a schematic diagram of a cell culture system custom designed to model the wound healing response of defects or voids in biological tissue.

Las Figuras 16A-16D son micrografías de fluorescencia en las que se muestran la morfología y la distribución de células en armazones de nanofibras alineadas radialmente y nanofibras orientadas aleatoriamente con y sin revestimiento de fibronectina después de una incubación durante 1 día.Figures 16A-16D are fluorescence micrographs showing the morphology and distribution of cells in scaffolds of radially aligned nanofibers and randomly oriented nanofibers with and without fibronectin coating after incubation for 1 day.

Las Figuras 17A-17D son micrografías de fluorescencia en las que se muestra la migración de fibroblastos de duramadre sembrados en armazones recubiertos con fibronectina de nanofibras alineadas radialmente durante 1 día, 3 días y 7 días.Figures 17A-17D are fluorescence micrographs showing the migration of dura fibroblasts seeded on radially aligned nanofiber fibronectin-coated scaffolds for 1 day, 3 days, and 7 days.

La Figura 18 es una ilustración de un método utilizado para determinar el área de la región acelular restante de los armazones de nanofibras dentro del defecto de tejido simulado.Figure 18 is an illustration of a method used to determine the area of the remaining acellular region of the nanofiber scaffolds within the simulated tissue defect.

La Figura 19 es un gráfico en el que se ilustra el área acelular restante en el armazón de nanofibras dentro del defecto de tejido simulado en función del tiempo de incubación.Figure 19 is a graph illustrating the remaining acellular area in the nanofiber scaffold within the simulated tissue defect as a function of incubation time.

Las Figuras 20A-20D son micrografías de fluorescencia en las que se muestran los fibroblastos durales vivos marcados con tinte de membrana en armazones de nanofibras alineadas radialmente con revestimiento de fibronectina después de un cultivo de 1 día, un cultivo de 3 días, un cultivo de 7 días y un cultivo de 10 días.Figures 20A-20D are fluorescence micrographs showing membrane dye-labeled live dural fibroblasts on radially aligned nanofiber scaffolds coated with fibronectin after a 1-day culture, a 3-day culture, a fibronectin culture. 7 days and a 10-day culture.

Las Figuras 21A-21D son micrografías de fluorescencia que demuestran la organización de las células y de la matriz extracelular adherente en armazones de fibras alineadas radialmente y fibras orientadas aleatoriamente obtenidas por inmunotinción para colágeno de tipo I (verde) y núcleos celulares (azul).Figures 21A-21D are fluorescence micrographs demonstrating the organization of cells and adherent extracellular matrix into scaffolds of radially aligned fibers and randomly oriented fibers obtained by immunostaining for type I collagen (green) and cell nuclei (blue).

La Figura 22 es un gráfico en el que se ilustra el grosor de la duramadre regenerada en el centro de los defectos durales reparados a lo largo del tiempo.Figure 22 is a graph illustrating the thickness of the regenerated dura at the center of repaired dural defects over time.

La Figura 23 es un gráfico en el que se ilustra el contenido de tejido colagenoso regenerativo a lo largo del tiempo. La Figura 24 es un diagrama en el que se ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de sistema de electrohilado para producir una estructura de fibras alineadas en polígonos usando una matriz de electrodos.Figure 23 is a graph illustrating the content of regenerative collagenous tissue over time. Figure 24 is a diagram illustrating a perspective view of an exemplary electrospinning system for producing a polygon-aligned fiber structure using an electrode array.

La Figura 25 es un diagrama en el que se ilustra una vista alzada de un ejemplo de colector modular de electrohilado. La Figura 26 es un diagrama en el que se ilustra un campo eléctrico generado por un sistema de electrohilado como el sistema de electrohilado mostrado en la Figura 24.Figure 25 is a diagram illustrating an elevational view of an example of a modular electrospinning collector. Figure 26 is a diagram illustrating an electric field generated by an electrospinning system such as the electrospinning system shown in Figure 24.

Las Figuras 27A-27F son imágenes de microscopía de una membrana producida usando un colector con una matriz de electrodos, como por ejemplo el colector mostrado en la Figura 24.Figures 27A-27F are microscopy images of a membrane produced using a collector with an electrode array, such as the collector shown in Figure 24.

Las Figuras 28A-28D son imágenes de microscopía en las que se ilustra el crecimiento celular en una membrana como la mostrada en las Figuras 27A-27F.Figures 28A-28D are microscopy images illustrating cell growth on a membrane as shown in Figures 27A-27F.

Las Figuras 29A y 29B son imágenes de microscopía en las que se ilustra la propagación de neuritas en una membrana como la mostrada en las Figuras 27A-27F.Figures 29A and 29B are microscopy images illustrating neurite propagation in a membrane as shown in Figures 27A-27F.

Las Figuras 30A y 30B son superposiciones de una imagen de microscopía óptica y una imagen de microscopía fluorescente en las que se ilustra la formación de redes neuronales a partir de cuerpos embrioides en una membrana como la mostrada en las Figuras 27A-27F.Figures 30A and 30B are overlays of a light microscopy image and a fluorescent microscopy image illustrating the formation of neural networks from embryoid bodies in a membrane as shown in Figures 27A-27F.

Las Figuras 31A-31D son imágenes de microscopía electrónica de barrido en las que se ilustran membranas producidas usando una variedad de matrices de electrodos.Figures 31A-31D are scanning electron microscopy images illustrating membranes produced using a variety of electrode arrays.

La Figura 32 es un diagrama de un colector con electrodos periféricos que circunscriben parcialmente un área. Descripción detallada Figure 32 is a diagram of a collector with peripheral electrodes partially circumscribing an area. Detailed description

Las realizaciones que se dan a conocer en la presente facilitan la reparación de tejido biológico con el uso de un parche biomédico que incluye una pluralidad de fibras. Estas fibras pueden tener un diámetro de sección transversal muy pequeño (por ejemplo, de 1-1000 nanómetros) y, en consecuencia, pueden denominarse nanofibras. Aunque en la presente se describen los parches biomédicos haciendo referencia a la duramadre y a su uso como un sustituto dural, pueden aplicarse las realizaciones descritas a cualquier tejido biológico. Asimismo, aunque se describen como parches biomédicos, pueden usarse las estructuras con fibras alineadas para otros fines. Por consiguiente, las realizaciones descritas no están limitadas a parches biomédicos.The embodiments disclosed herein facilitate the repair of biological tissue with the use of a biomedical patch that includes a plurality of fibers. These fibers can have a very small cross-sectional diameter (eg, 1-1000 nanometers) and consequently can be called nanofibers. Although biomedical patches are described herein with reference to the dura and its use as a dural substitute, the described embodiments can be applied to any biological tissue. Also, although they are described as biomedical patches, the structures with aligned fibers can be used for other purposes. Accordingly, the described embodiments are not limited to biomedical patches.

Durante su funcionamiento, los parches biomédicos dados a conocer en la presente facilitan el crecimiento celular y pueden denominarse “membranas”, “armazones”, “matrices” o “sustratos”. Dichos parches biomédicos facilitan también la migración celular desde un perímetro del parche hasta un centro del parche biomédico. Los parches biomédicos con fibras alineadas, como se describen en la presente, pueden promover una curación y/o regeneración de tejido, como por ejemplo la duramadre, significativamente más rápida que la de los sustitutos, los cuales carecen de organización nanoscópica e indicaciones direccionales.During their operation, the biomedical patches disclosed herein facilitate cell growth and may be referred to as "membranes,""scaffolds,""matrices," or "substrates." Such biomedical patches also facilitate cell migration from a perimeter of the patch to a center of the biomedical patch. The patches Fiber-aligned biomedicals, as described herein, can promote significantly faster healing and / or regeneration of tissue, such as the dura, than substitutes, which lack nanoscopic organization and directional cues.

La duramadre es un tejido conjuntivo membranoso ubicado en la capa más exterior de las tres capas de las meninges que rodean el cerebro y la médula espinal, que cubre y soporta los senos durales y transporta la sangre desde el cerebro al corazón. Con frecuencia se requieren sustitutos durales después de un procedimiento neuroquirúrgico para reparar, expandir o reemplazar la duramadre cortada, dañada o reseccionada.The dura is a membranous connective tissue located in the outermost layer of the three layers of the meninges that surround the brain and spinal cord, which covers and supports the dural sinuses and carries blood from the brain to the heart. Dural substitutes are often required after a neurosurgical procedure to repair, expand, or replace the cut, damaged, or resected dura.

Aunque se han realizado muchos esfuerzos en este sentido, el reto de desarrollar un sustituto dural apropiado solo ha tenido un éxito limitado. Los autoinjertos (por ejemplo, la fascia lata, la fascia temporal y el pericráneo) son preferibles porque no provocan reacciones inflamatorias o inmunológicas graves. Entre los inconvenientes potenciales de los autoinjertos figuran la dificultad de lograr un cierre impermeable al agua, la formación de tejido cicatricial, los materiales de injerto insuficientemente accesibles para cerrar defectos de gran tamaño de la duramadre, un mayor riesgo de infección, la morbilidad del sitio donante y la necesidad de un sitio operativo adicional. Los aloinjertos y xenoinjertos a menudo se asocian con reacciones adversas como la disolución del injerto, la encapsulación, el rechazo de cuerpos extraños, la cicatrización, la formación de adherencias y los efectos secundarios provocados por toxicidad que se derivan de regímenes inmunosupresores. También se ha notificado que la duramadre humana liofilizada como sustituto dural es una fuente de enfermedades transmisibles relacionadas específicamente con priones, como por ejemplo la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob.Although many efforts have been made in this regard, the challenge of developing an appropriate dural replacement has met with only limited success. Autografts (eg, fascia lata, temporal fascia, and pericranium) are preferable because they do not cause severe inflammatory or immune reactions. Potential drawbacks of autografts include difficulty in achieving a waterproof closure, scar tissue formation, insufficiently accessible graft materials to close large dura defects, increased risk of infection, site morbidity donor and the need for an additional operating site. Allografts and xenografts are often associated with adverse reactions such as graft dissolution, encapsulation, foreign body rejection, scarring, adhesion formation, and toxicity side effects resulting from immunosuppressive regimens. Freeze-dried human dura as a dural substitute has also been reported to be a source of communicable diseases specifically related to prions, such as Creutzfeldt-Jakob disease.

Por lo que respecta a los materiales, los polímeros sintéticos no absorbibles, como por ejemplo la silicona y el politetrafluoroetileno expandido (ePTFE), con frecuencia causan complicaciones graves que pueden incluir la inducción de formación de tejido de granulación debido a la estimulación crónica de la respuesta al cuerpo extraño. Los polímeros naturales absorbibles, como el colágeno, la fibrina y la celulosa, pueden presentar un riesgo de infección y de transmisión de enfermedades. Como resultado, los polímeros sintéticos como el poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV), el ácido poliláctico (PLA), el ácido poliglicólico (PGA), los copolímeros ternarios PLA-PCL-PGA y los hidrogeles de hidroxietilmetacrilato han despertado interés recientemente como materiales de implantes biodegradables para la reparación de la duramadre. Se pueden poner en práctica los métodos y sistemas descritos en la presente con estos materiales y/o con cualquier polímero biomédico.In terms of materials, nonabsorbable synthetic polymers, such as silicone and expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE), often cause serious complications that may include induction of granulation tissue formation due to chronic stimulation of the response to foreign body. Natural absorbable polymers, such as collagen, fibrin, and cellulose, can pose a risk of infection and disease transmission. As a result, synthetic polymers such as poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA), ternary copolymers PLA-PCL-PGA, and hydrogels of Hydroxyethylmethacrylate has recently sparked interest as biodegradable implant materials for dura repair. The methods and systems described herein can be practiced with these materials and / or with any biomedical polymer.

Con el fin de facilitar la regeneración y/o reparación con éxito de la duramadre después de una operación quirúrgica, un parche biomédico o un sustituto dural sintético deberá promover: (i) la adhesión de los fibroblastos durales (el tipo de célula primaria presente en la duramadre) a la superficie del parche biomédico; (ii) la migración de los fibroblastos durales desde la periferia del parche biomédico hacia el centro; y (iii) una respuesta inmunológica mínima. Hasta la fecha, solo se han probado sustitutos durales sintéticos en forma de láminas, películas, mallas, pegamentos e hidrogeles. Debido a las propiedades de superficie isotrópicas, dichos sustitutos no son muy apropiados para la unión de células y la migración dirigida hacia dentro.In order to facilitate the successful regeneration and / or repair of the dura after a surgical operation, a biomedical patch or synthetic dural substitute should promote: (i) the adhesion of dural fibroblasts (the type of primary cell present in the dura mater) to the surface of the biomedical patch; (ii) migration of dural fibroblasts from the periphery of the biomedical patch towards the center; and (iii) a minimal immune response. To date, only synthetic dural substitutes in the form of sheets, films, mesh, glues and hydrogels have been tested. Due to the isotropic surface properties, such substitutes are not very suitable for cell attachment and inward directed migration.

Este problema puede resolverse potencialmente fabricando los polímeros como fibras a nanoescala con un orden y organización específicos. Por ejemplo, la velocidad de migración celular puede ser muy baja en superficies isotrópicas planas, mientras que las células pueden migrar a una distancia muy larga en una forma muy correlacionada con una velocidad constante en un armazón fibroso y alineado uniaxialmente.This problem can potentially be solved by manufacturing the polymers as nanoscale fibers with a specific order and organization. For example, the cell migration rate can be very low on flat isotropic surfaces, whereas cells can migrate a very long distance in a highly correlated manner with a constant speed in a fibrous and uniaxially aligned scaffold.

El electrohilado es una técnica capacitadora que puede producir fibras a nanoescala a partir de una gran cantidad de polímeros. Las nanofibras electrohiladas se recogen normalmente como una estera no tejida orientada aleatoriamente. También se pueden obtener matrices de nanofibras alineadas uniaxialmente en determinadas condiciones, específicamente cuando se utiliza un colector de cámara de aire o un mandril que gira a alta velocidad. No obstante, los armazones de nanofibras alineadas uniaxialmente promueven la migración celular solo a lo largo de una dirección específica y, por lo tanto, no resultan ideales como sustitutos durales.Electrospinning is a capacitive technique that can produce nanoscale fibers from a large number of polymers. Electrospun nanofibers are typically collected as a randomly oriented nonwoven mat. Uniaxially aligned nanofiber arrays can also be obtained under certain conditions, specifically when using an air chamber manifold or high speed rotating mandrel. However, uniaxially aligned nanofiber scaffolds promote cell migration only along a specific direction and are therefore not ideal as dural substitutes.

Con el fin de promover la migración celular desde el tejido circundante al centro de un defecto dural y reducir el tiempo de curación y regeneración de la duramadre, una superficie con un patrón con características a nanoescala alineadas (por ejemplo, alineadas radialmente y/o en uno o varios polígonos) resultaría muy ventajosa como un sustituto dural artificial. Más específicamente, los armazones construidos con nanofibras alineadas podrían satisfacer esta demanda al guiar y mejorar la migración celular desde el borde de un defecto dural al centro.In order to promote cell migration from the surrounding tissue to the center of a dural defect and reduce the healing and regeneration time of the dura, a patterned surface with aligned nanoscale features (for example, aligned radially and / or in one or more polygons) would be very advantageous as an artificial dural substitute. More specifically, scaffolds constructed of aligned nanofibers could meet this demand by guiding and enhancing cell migration from the edge of a dural defect to the center.

Existe una gran cantidad de polímeros disponibles para su uso en el electrohilado. En algunas realizaciones descritas en la presente, se producen nanofibras para sustitutos durales como el polímero electrohilado a partir de poli(scaprolactona) (PCL), un poliéster semicristalino aprobado por la FDA (Agencia de Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos) que puede degradarse mediante hidrólisis de sus enlaces éster en condiciones fisiológicas con productos de degradación no tóxicos. Este polímero ha sido ampliamente utilizado y estudiado en el cuerpo humano como un material para la fabricación de portadores de administración de fármacos, suturas o barreras de adhesión. Como se describe en la presente, se pueden alinear las nanofibras de PCL electrohiladas para generar armazones que son útiles como sustitutos durales. There are a large number of polymers available for use in electrospinning. In some embodiments described herein, nanofibers for dural substitutes such as electrospun polymer are produced from poly (scaprolactone) (PCL), an FDA-approved semi-crystalline polyester that can degrade by hydrolysis of their ester bonds under physiological conditions with non-toxic degradation products. This polymer has been widely used and studied in the human body as a material for the manufacture of drug delivery carriers, sutures or adhesion barriers. As described herein, electrospun PCL nanofibers can be aligned to generate scaffolds that are useful as dural substitutes.

Las realizaciones dadas a conocer en la presente facilitan la producción de un nuevo tipo de sustituto de tejido artificial que incluye un material de nanofibras poliméricas, el cual se forma a través de un nuevo método de electrohilado. Este material polimérico incluye nanofibras no tejidas (por ejemplo, fibras que tienen un diámetro de 1-1000 nanómetros) que están alineadas dentro de una lámina de material.The embodiments disclosed herein facilitate the production of a new type of artificial tissue substitute that includes a polymeric nanofiber material, which is formed through a new electrospinning method. This polymeric material includes nonwoven nanofibers (eg, fibers having a diameter of 1-1000 nanometers) that are aligned within a sheet of material.

En ejemplos de realizaciones, se forma un material con nanofibras alineadas a través de un método nuevo de electrohilado que utiliza un colector que incluye uno o varios primeros electrodos, o electrodos “periféricos”, que definen un área y/o circunscriben al menos parcialmente dicha área, y un segundo electrodo “interno” ubicado dentro del área. Cuando los electrodos están cargados eléctricamente con una primera polaridad, y una hilera que dispensa un polímero (por ejemplo, hacia el electrodo interno) está cargada eléctricamente con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad, el polímero dispensado forma una pluralidad de fibras que se extienden desde el electrodo interno al electrodo o electrodos periféricos. Los electrodos pueden incluir una superficie redondeada (por ejemplo, convexa), de modo que se forme una depresión o “pocillo” en el lado orientado hacia el electrodo de una estructura de fibras. Alternativamente, los electrodos pueden incluir una superficie cóncava, de tal manera que se forme un pocillo en el lado de la estructura opuesto a los electrodos.In exemplary embodiments, a material with aligned nanofibers is formed through a novel electrospinning method that uses a collector that includes one or more first electrodes, or "peripheral" electrodes, that define an area and / or at least partially circumscribe said area. area, and a second "internal" electrode located within the area. When the electrodes are electrically charged with a first polarity, and a spinneret that dispenses a polymer (for example, towards the inner electrode) is electrically charged with a second polarity opposite the first polarity, the dispensed polymer forms a plurality of fibers that are extend from the inner electrode to the peripheral electrode (s). The electrodes may include a rounded (eg, convex) surface so that a depression or "well" is formed on the electrode-facing side of a fiber structure. Alternatively, the electrodes may include a concave surface, such that a well is formed on the side of the frame opposite the electrodes.

En algunas realizaciones, el colector incluye un electrodo interno único y un electrodo periférico único. En otras realizaciones, el colector incluye una pluralidad de electrodos periféricos y el polímero dispensado puede formar fibras que se extienden entre dichos electrodos periféricos, además de las fibras que se extienden desde el electrodo interno a uno o varios de los electrodos periféricos.In some embodiments, the collector includes a single inner electrode and a single peripheral electrode. In other embodiments, the collector includes a plurality of peripheral electrodes and the dispensed polymer may form fibers that extend between said peripheral electrodes, in addition to fibers that extend from the inner electrode to one or more of the peripheral electrodes.

Además, en algunas realizaciones, hay múltiples áreas definidas y/o parcialmente circunscritas por electrodos periféricos. Por ejemplo, un electrodo periférico interno puede definir un área cerrada interna que rodea al electrodo interno, y un electrodo periférico externo puede definir un área cerrada externa que rodea al electrodo periférico interno. En otras realizaciones, los electrodos están configurados en una matriz, como por ejemplo una rejilla y/u otro patrón poligonal (por ejemplo, un patrón hexagonal), y se pueden definir múltiples áreas parcialmente superpuestas por dichos electrodos. Por ejemplo, un electrodo interno de un área puede funcionar como un electrodo periférico de otra área. En dichas realizaciones, el polímero dispensado puede formar fibras que se extienden entre los electrodos del colector, de tal manera que las fibras definen los lados de una pluralidad de polígonos, con los electrodos situados en los vértices de los polígonos.Furthermore, in some embodiments, there are multiple areas defined and / or partially circumscribed by peripheral electrodes. For example, an inner peripheral electrode can define an inner closed area that surrounds the inner electrode, and an outer peripheral electrode can define an outer closed area that surrounds the inner peripheral electrode. In other embodiments, the electrodes are configured in a matrix, such as a grid and / or other polygonal pattern (eg, a hexagonal pattern), and multiple partially overlapping areas can be defined by said electrodes. For example, an internal electrode of one area can function as a peripheral electrode of another area. In such embodiments, the dispensed polymer can form fibers that extend between the collector electrodes, such that the fibers define the sides of a plurality of polygons, with the electrodes located at the vertices of the polygons.

A diferencia de las estructuras de nanofibras conocidas, los materiales de nanofibras alineadas dados a conocer en la presente son capaces de presentar indicaciones topográficas a nanoescala a células locales que mejoran y dirigen la migración celular (por ejemplo, por toda la hoja de material o hacia el centro de la hoja de material). Como resultado, los materiales de nanofibras alineadas pueden provocar una migración y una población celulares más rápidas que los materiales orientados aleatoriamente, como por ejemplo las matrices de colágeno procesado de referencia. Los materiales descritos en la presente pueden ser particularmente útiles como sustrato para diversos tipos de parches biomédicos o injertos diseñados para provocar la protección, el cierre, la curación, la reparación de heridas y/o la regeneración de tejidos.Unlike known nanofiber structures, the aligned nanofiber materials disclosed herein are capable of presenting nanoscale topographic indications to local cells that enhance and direct cell migration (e.g., throughout the sheet of material or into the center of the media sheet). As a result, aligned nanofiber materials can cause faster cell population and migration than randomly oriented materials, such as reference processed collagen matrices. The materials described herein can be particularly useful as a substrate for various types of biomedical patches or grafts designed to induce protection, closure, healing, wound repair, and / or tissue regeneration.

Un armazón de nanofibras alineadas, como se describe en la presente, posee un potencial significativo como un sustituto dural artificial, ya que es capaz de estimular una migración celular robusta de la duramadre intacta adyacente y promover la población celular rápida de la matriz de nanofibras requerida para provocar la reparación dural. Además, dichos materiales de nanofibras ofrecen la ventaja de una producción económica y de ser totalmente adaptables y reabsorbibles. Los sustitutos durales de nanofibras también pueden reducir el riesgo de contracturas y eliminar completamente el riesgo de enfermedades zoonóticas transmitidas cuando se aplican intraoperatoriamente, mejorando en general los resultados del paciente después de la cirugía.An aligned nanofiber scaffold, as described herein, possesses significant potential as an artificial dural substitute, as it is capable of stimulating robust cell migration from the adjacent intact dura and promoting the rapid cell population of the required nanofiber matrix. to cause dural repair. Furthermore, said nanofiber materials offer the advantage of being economical to produce and of being fully compliant and resorbable. Dural nanofiber substitutes can also reduce the risk of contractures and completely eliminate the risk of transmitted zoonotic diseases when applied intraoperatively, generally improving patient outcomes after surgery.

Electrodo interno y electrodo o electrodos periféricosInner electrode and peripheral electrode (s)

La Figura 1 es un diagrama en el que se ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de sistema de electrohilado 100 para producir una estructura de fibras alineadas radialmente. El sistema 100 incluye un colector 105 con un primer electrodo 110, que puede denominarse electrodo periférico, y un segundo electrodo 115, que puede denominarse electrodo interno o electrodo central. El sistema 100 también incluye una hilera 120. El electrodo periférico 110 define un área cerrada 125 y el electrodo central 115 está situado aproximadamente en un centro del área cerrada 125. Figure 1 is a diagram illustrating a perspective view of an exemplary electrospinning system 100 for producing a radially aligned fiber structure. System 100 includes a collector 105 with a first electrode 110, which may be referred to as a peripheral electrode, and a second electrode 115, which may be referred to as an inner or center electrode. The system 100 also includes a row 120. The peripheral electrode 110 defines a closed area 125 and the center electrode 115 is located approximately in a center of the closed area 125.

El sistema 100 está configurado para crear un potencial eléctrico entre el colector 105 y la hilera 120. En una realización, el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115 están configurados para estar cargados eléctricamente con una primera amplitud y/o polaridad. Por ejemplo, el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115 pueden estar eléctricamente acoplados a una fuente de alimentación 130 a través de un conductor 135. La fuente de alimentación 130 está configurada para cargar el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115 con la primera amplitud y/o polaridad a través del conductor 135.System 100 is configured to create an electrical potential between collector 105 and row 120. In one embodiment, peripheral electrode 110 and center electrode 115 are configured to be electrically charged with a first amplitude and / or polarity. For example, peripheral electrode 110 and center electrode 115 may be electrically coupled to power source 130 through conductor 135. Power source 130 is configured to charge peripheral electrode 110 and center electrode 115 with the former. amplitude and / or polarity across lead 135.

En la realización ilustrada en la Figura 1, el electrodo periférico 110 es un anillo que define un área cerrada 125 que es circular. Por ejemplo, el área cerrada circular 125 puede tener un diámetro de entre 1 cm y 20 cm. En otras realizaciones, el electrodo periférico 110 puede tener cualquier forma adecuada para su uso con los métodos descritos en la presente. Por ejemplo, el electrodo periférico 110 puede definir un área cerrada 125 elíptica, ovular, rectangular, cuadrada, triangular y/o de otra forma rectilínea o curvilínea. En algunas realizaciones, el electrodo periférico 110 define un área cerrada 125 de entre 5 cm2 y 100 cm2. El electrodo periférico 110 puede tener una altura 112 de entre 0,5 cm y 2,0 cm. El electrodo central 115 puede incluir una aguja metálica y/o cualquier otra estructura que termine en punta o conjunto de puntas.In the embodiment illustrated in Figure 1, peripheral electrode 110 is a ring defining a closed area 125 that is circular. For example, the circular closed area 125 may have a diameter of between 1 cm and 20 cm. In other embodiments, the peripheral electrode 110 may have any shape suitable for use with the described methods. at the moment. For example, peripheral electrode 110 may define a closed area 125 elliptical, ovular, rectangular, square, triangular, and / or otherwise rectilinear or curvilinear. In some embodiments, peripheral electrode 110 defines a closed area 125 of between 5 cm2 and 100 cm2. Peripheral electrode 110 may have a height 112 of between 0.5 cm and 2.0 cm. The center electrode 115 may include a metallic needle and / or any other structure that ends in a point or set of points.

En una realización, el área cerrada 125 define un plano horizontal 127. La hilera 120 está alineada con el electrodo central 115 y está desplazada verticalmente con respecto al plano horizontal 127 a una distancia variable. Por ejemplo, la hilera 120 puede estar desplazada verticalmente con respecto al plano horizontal 127 a una distancia de entre 1 cm y 100 cm.In one embodiment, closed area 125 defines a horizontal plane 127. Row 120 is aligned with center electrode 115 and is vertically offset from horizontal plane 127 by a variable distance. For example, row 120 may be offset vertically with respect to horizontal plane 127 by a distance of between 1 cm and 100 cm.

La hilera 120 está configurada para dispensar un polímero 140 mientras está cargada eléctricamente con una segunda amplitud y/o polaridad opuesta a la primera polaridad. Como se muestra en la Figura 1, la hilera 120 está acoplada eléctricamente a la fuente de alimentación 130 mediante un conductor 145. La fuente de alimentación 130 está configurada para cargar la hilera 120 con la segunda amplitud y/o polaridad a través del conductor 145. En algunas realizaciones, la fuente de alimentación 130 proporciona un voltaje de corriente continua (CC) (por ejemplo, entre 10 kilovoltios y 17 kilovoltios). En una realización, el conductor 145 está cargado positivamente, y el conductor 135 está cargado negativamente o está conectado a tierra. En algunas realizaciones, la fuente de alimentación 130 está configurada para permitir el ajuste de una corriente, un voltaje y/o una potencia.Spinneret 120 is configured to dispense polymer 140 while electrically charged with a second amplitude and / or polarity opposite the first polarity. As shown in Figure 1, string 120 is electrically coupled to power source 130 via lead 145. Power source 130 is configured to charge string 120 with the second amplitude and / or polarity through lead 145 In some embodiments, the power supply 130 provides a direct current (DC) voltage (eg, between 10 kilovolts and 17 kilovolts). In one embodiment, conductor 145 is positively charged, and conductor 135 is negatively charged or grounded. In some embodiments, power supply 130 is configured to allow adjustment of a current, a voltage, and / or a power.

En una realización, la hilera 120 está acoplada a una jeringa 150 que contiene un polímero 140 en forma de solución líquida. Puede hacerse funcionar la jeringa 150 manualmente o mediante una bomba de jeringa 155. En un ejemplo de realización, la hilera 120 es una aguja metálica que tiene una abertura de entre 100 micrómetros y 2 milímetros de diámetro.In one embodiment, the spinneret 120 is coupled to a syringe 150 containing a polymer 140 in the form of a liquid solution. Syringe 150 can be operated manually or by a syringe pump 155. In one exemplary embodiment, spinneret 120 is a metal needle having an aperture between 100 microns and 2 millimeters in diameter.

A medida que la jeringa 150 ejerce presión sobre el polímero 140, la hilera 120 dispensa el polímero 140 en forma de flujo 160. El flujo 160 tiene un diámetro aproximadamente igual al diámetro de la abertura de la hilera 120. El flujo 160 desciende hacia el colector 105. Por ejemplo, el flujo 160 puede caer hacia abajo bajo la influencia de la gravedad y/o puede ser atraído hacia abajo por una superficie conductora cargada 162 situada debajo del colector 105. Por ejemplo, la superficie conductora 162 puede estar acoplada eléctricamente al conductor 135 y cargada con la misma amplitud y/o polaridad que el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115. A medida que desciende el flujo 160, el polímero 140 forma una o varias fibras poliméricas sólidas 165.As syringe 150 exerts pressure on polymer 140, spinneret 120 dispenses polymer 140 in the form of flow 160. Flow 160 has a diameter approximately equal to the diameter of the opening of spinneret 120. Flow 160 descends toward the collector 105. For example, flow 160 may fall downward under the influence of gravity and / or may be drawn downward by a charged conductive surface 162 located below collector 105. For example, conductive surface 162 may be electrically coupled to conductor 135 and charged with the same amplitude and / or polarity as peripheral electrode 110 and center electrode 115. As flow 160 descends, polymer 140 forms one or more solid polymeric fibers 165.

En algunas realizaciones, se aplica una máscara 164, compuesta de un material conductor o no conductor, en el colector 105 para manipular la deposición de fibras 165. Por ejemplo, la máscara 164 puede colocarse entre la hilera 120 y el colector 105 de tal manera que no se depositen fibras 165 en el colector 105 debajo de la máscara 164. Además, la máscara 164 puede usarse como una máscara variante en el tiempo ajustando su posición mientras que la hilera 120 dispensa el polímero 140, facilitando la variación espacial de la densidad de fibras en el colector 105. Aunque la máscara 164 se muestra como circular, la máscara 164 puede ser de cualquier forma (por ejemplo, rectangular o semicircular) y de un tamaño adecuado para su uso con el sistema 100. Alternativa o adicionalmente, la deposición de fibras 165 en el colector 105 puede manipularse ajustando la posición del colector 105 con respecto a la hilera 120 o variando espacialmente el potencial eléctrico aplicado entre la hilera 120 y/o los electrodos que componen el colector 105. Por ejemplo, la ubicación de un lado del colector 105 directamente debajo de la hilera 120 puede hacer que se depositen más fibras 165 en ese lado que las que se depositan en el lado opuesto del colector 105.In some embodiments, a mask 164, composed of a conductive or non-conductive material, is applied to collector 105 to manipulate fiber deposition 165. For example, mask 164 can be positioned between row 120 and collector 105 in such a way that no fibers 165 are deposited in collector 105 below mask 164. In addition, mask 164 can be used as a time-varying mask by adjusting its position while spinneret 120 dispenses polymer 140, facilitating spatial variation in density. of fibers in collector 105. Although mask 164 is shown as circular, mask 164 may be of any shape (eg, rectangular or semi-circular) and of a size suitable for use with system 100. Alternatively or additionally, the Deposition of fibers 165 in collector 105 can be manipulated by adjusting the position of collector 105 relative to row 120 or by spatially varying the electrical potential applied between row 120 and / or or the electrodes that make up collector 105. For example, the location of one side of collector 105 directly below row 120 may cause more fibers 165 to be deposited on that side than are deposited on the opposite side of collector 105.

La Figura 2 es un diagrama 200 que ilustra un campo eléctrico generado por el sistema 100. En el diagrama 200 se muestra una vista bidimensional en sección transversal de vectores de fuerza de campo eléctrico entre la hilera 120 y el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115 del colector 105 (mostrado en la Figura 1). A diferencia de los sistemas de electrohilado conocidos, los vectores de campo eléctrico (líneas de flujo) en las proximidades del colector se dividen en dos poblaciones, las que apuntan hacia el electrodo periférico 110 y las que apuntan hacia el electrodo central 115.Figure 2 is a diagram 200 illustrating an electric field generated by system 100. Diagram 200 shows a two-dimensional cross-sectional view of electric field force vectors between row 120 and peripheral electrode 110 and center electrode. 115 from manifold 105 (shown in Figure 1). Unlike known electrospinning systems, the electric field vectors (flux lines) in the vicinity of the collector are divided into two populations, those pointing towards the peripheral electrode 110 and those pointing towards the central electrode 115.

Si no se tiene encuentra el efecto de las cargas sobre las fibras poliméricas, puede calcularse el campo de potencial v V =zJL If the effect of the loads on the polymeric fibers is not found, the potential field v V = zJL can be calculated

eléctrico usando la ecuación de Poisson, e , donde V es el potencial eléctrico, £ es la permitividad eléctrica del aire y P es la densidad de carga espacial. El campo eléctrico, E , puede calcularse tomando el gradiente negativo del campo de potencial eléctrico, E — —V V Aquí, el campo eléctrico se calculó para verificar el efecto de alineación demostrado por las fibras depositadas, que se llevó a cabo usando el software COMSOL3.3.using the Poisson equation, e , where V is the electric potential, £ is the electric permittivity of air, and P is the space charge density. The electric field, E, can be calculated by taking the negative gradient of the electric potential field, E - —V V Here, the electric field was calculated to verify the alignment effect demonstrated by the deposited fibers, which was carried out using the software COMSOL3.3.

La Figura 3 es un diagrama del electrodo periférico 110 retirado del sistema de electrohilado 100 (mostrado en la Figura 1) y que tiene una pluralidad de fibras 165 depositadas encima del mismo que forman un parche biomédico 170. Las fibras 165 se extienden radialmente entre un centro 175 correspondiente a la posición del electrodo central 115 (mostrado en la Figura 1) y un perímetro 178 correspondiente a la posición del electrodo periférico 110. Por ejemplo, el perímetro 178 puede ser un perímetro circular alrededor del centro 175 que define un diámetro de entre 1 cm y 6 cm.Figure 3 is a diagram of peripheral electrode 110 removed from electrospinning system 100 (shown in Figure 1) and having a plurality of fibers 165 deposited on top of it forming a biomedical patch 170. Fibers 165 extend radially between a center 175 corresponding to the position of the center electrode 115 (shown in Figure 1) and a perimeter 178 corresponding to the position of the peripheral electrode 110. For example, the perimeter 178 may be a circular perimeter around the center 175 that defines a diameter of between 1 cm and 6 cm.

El parche biomédico 170 se ilustra con una pequeña cantidad de fibras 165 en la Figura 3 para una mayor claridad. En algunas realizaciones, el parche biomédico 170 incluye miles, decenas de miles, cientos de miles o una cantidad superior de fibras 165, distribuidas uniformemente por toda el área cerrada 125 (mostrada en la Figura 1) del electrodo periférico 110. Incluso con millones de fibras 165, el parche biomédico 170 es flexible y/o maleable, lo que facilita la aplicación del parche biomédico 170 en superficies irregulares de tejido biológico, como por ejemplo la superficie de la duramadre.Biomedical patch 170 is illustrated with a small number of fibers 165 in Figure 3 for clarity. In some embodiments, biomedical patch 170 includes thousands, tens of thousands, hundreds of thousands, or more of fibers 165, uniformly distributed throughout the closed area 125 (shown in Figure 1) of peripheral electrode 110. Even with millions of fibers 165, the biomedical patch 170 is flexible and / or malleable, which facilitates the application of the biomedical patch 170 on uneven surfaces of biological tissue, such as the surface of the dura mater.

La alineación radial de las fibras 165 demuestra el recorrido más corto posible entre el perímetro 178 y el centro 175. Por consiguiente, el parche biomédico 170 también facilita la migración celular directamente desde el perímetro 178 al centro 175, permitiendo una reducción del tiempo requerido para la infiltración y población de las células en el parche biomédico aplicado, así como para la regeneración del tejido nativo.The radial alignment of the fibers 165 demonstrates the shortest possible path between the perimeter 178 and the center 175. Consequently, the biomedical patch 170 also facilitates cell migration directly from the perimeter 178 to the center 175, allowing a reduction in the time required to the infiltration and population of cells in the applied biomedical patch, as well as for the regeneration of native tissue.

Las fibras 165 tienen un diámetro de 1-1000 nanómetros. En una realización, las fibras tienen un diámetro de aproximadamente 220 nanómetros (por ejemplo, de 215 nm a 225 nm). El diámetro de las fibras 165, el grosor del parche biomédico 170 y/o la densidad de las fibras dentro del parche biomédico 170 pueden afectar la durabilidad (por ejemplo, resistencia a la tracción) del parche biomédico 170. Se puede producir el parche biomédico 170 con diferentes propiedades mecánicas modificando el grosor y/o la densidad de las fibras del parche biomédico 170 mediante la operación del sistema de electrohilado 100 durante periodos relativamente más largos o más cortos.Fibers 165 have a diameter of 1-1000 nanometers. In one embodiment, the fibers have a diameter of about 220 nanometers (eg, 215 nm to 225 nm). The diameter of the fibers 165, the thickness of the biomedical patch 170, and / or the density of the fibers within the biomedical patch 170 can affect the durability (eg, tensile strength) of the biomedical patch 170. The biomedical patch can be produced. 170 with different mechanical properties by modifying the thickness and / or density of the fibers of the biomedical patch 170 by operating the electrospinning system 100 for relatively longer or shorter periods.

La Figura 4 es una fotografía 300 de un parche biomédico 305 que incluye una pluralidad de fibras electrohiladas alineadas radialmente depositadas sobre un electrodo periférico 110. La Figura 5 es una imagen de un microscopio electrónico de barrido (SEM) 310 del parche biomédico 305, en la que se ilustra adicionalmente que las fibras del parche biomédico 305 están alineadas radialmente.Figure 4 is a photograph 300 of a biomedical patch 305 that includes a plurality of radially aligned electrospun fibers deposited on a peripheral electrode 110. Figure 5 is a scanning electron microscope (SEM) 310 image of the biomedical patch 305, at which is further illustrated that the fibers of the biomedical patch 305 are radially aligned.

Por lo que respecta a las Figuras 1 y 3, las fibras 165 pueden ser sólidas o huecas. En algunas realizaciones, el tamaño y/o estructura de las fibras 165 están determinados por el diseño de la hilera 120. La Figura 6 es una ilustración de una hilera de fibras sólidas 120A. La hilera de fibras sólidas 120A incluye un cuerpo cónico 180 que define una línea central 182. En un extremo de dispensación 184, el cuerpo cónico 180 incluye un anillo 186. El anillo 186 define una abertura circular 190A a través de la cual se puede dispensar el polímero 140. Las fibras 165 producidas con una hilera de fibras sólidas 120A tienen una composición sólida.With reference to Figures 1 and 3, the fibers 165 can be solid or hollow. In some embodiments, the size and / or structure of the fibers 165 is determined by the design of the spinneret 120. Figure 6 is an illustration of a solid fiber spinneret 120A. The string of solid fibers 120A includes a conical body 180 that defines a center line 182. At a dispensing end 184, the conical body 180 includes a ring 186. The ring 186 defines a circular opening 190A through which it can be dispensed polymer 140. Fibers 165 produced with a row of solid fibers 120A have a solid composition.

La Figura 7 es una ilustración de una hilera de fibras huecas 120B. Al igual que la hilera de fibras sólidas 120A, la hilera de fibras huecas 120B incluye un cuerpo cónico 180 con un anillo 186 en un extremo dispensador 184. La hilera de fibras huecas 120B también incluye un cuerpo central 188B ubicado dentro del anillo 186. El anillo 186 y el cuerpo central 188B definen una abertura anular 190B. En consecuencia, cuando el polímero 140 se dispensa mediante la hilera de fibras huecas 120B, las fibras 165 tienen una composición hueca, con una pared exterior que rodea una cavidad. La pared exterior de una fibra 165 dispensada por la hilera de fibras huecas 120B define un diámetro exterior que corresponde al diámetro interior del anillo 186 y un diámetro interior que corresponde al diámetro del cuerpo central 188B. Por consiguiente, pueden ajustarse el diámetro exterior y el diámetro interior de las fibras huecas 165 ajustando los diámetros del anillo 186 y del cuerpo central 188B.Figure 7 is an illustration of a hollow fiber spinneret 120B. Like the solid fiber string 120A, the hollow fiber string 120B includes a conical body 180 with a ring 186 at a dispensing end 184. The hollow fiber string 120B also includes a central body 188B located within the ring 186. ring 186 and central body 188B define an annular opening 190B. Consequently, when polymer 140 is dispensed through hollow fiber row 120B, fibers 165 have a hollow composition, with an outer wall surrounding a cavity. The outer wall of a fiber 165 dispensed by the hollow fiber row 120B defines an outer diameter that corresponds to the inner diameter of ring 186 and an inner diameter that corresponds to the diameter of central body 188B. Accordingly, the outer diameter and the inner diameter of the hollow fibers 165 can be adjusted by adjusting the diameters of the ring 186 and the central body 188B.

La hilera de fibras huecas 120B facilita la incorporación de una sustancia, como por ejemplo un agente biológico, factor de crecimiento y/o fármaco (por ejemplo, una sustancia quimioterapéutica), al parche biomédico 170. Por ejemplo, la sustancia puede depositarse dentro de una cavidad definida por fibras huecas 165 del parche biomédico 170. En una realización, se selecciona el polímero 140 para crear fibras porosas y/o semisolubles 165, y la sustancia se dispensa desde la cavidad a través de las fibras 165. En otra realización, el polímero 140 es degradable y la sustancia se dispensa a medida que las fibras 165 se degradan in vivo. Por ejemplo, se pueden configurar las fibras 165 para que se degraden en 12 meses, 6 meses o 3 meses. Puede manipularse la velocidad de degradación del polímero 140 ajustando la proporción de los polímeros constituyentes dentro del polímero 140.The hollow fiber strand 120B facilitates the incorporation of a substance, such as a biological agent, growth factor, and / or drug (eg, a chemotherapeutic substance), into the biomedical patch 170. For example, the substance may be deposited within a cavity defined by hollow fibers 165 of biomedical patch 170. In one embodiment, polymer 140 is selected to create porous and / or semi-soluble fibers 165, and the substance is dispensed from the cavity through fibers 165. In another embodiment, polymer 140 is degradable and the substance is dispensed as fibers 165 degrade in vivo. For example, fibers 165 can be configured to degrade in 12 months, 6 months, or 3 months. The rate of degradation of polymer 140 can be manipulated by adjusting the proportion of the constituent polymers within polymer 140.

En otra realización, las fibras sólidas 165 administran una sustancia. Por ejemplo, se puede crear una fibra sólida 165 a partir de un polímero 140 que incluye la sustancia en solución. A medida que la fibra sólida 165 se degrada, la sustancia se libera en el tejido circundante.In another embodiment, solid fibers 165 deliver a substance. For example, a solid fiber 165 can be created from a polymer 140 that includes the substance in solution. As the solid fiber 165 degrades, the substance is released into the surrounding tissue.

Como se muestra en las Figuras 6 y 7, el anillo 186 es perpendicular a la línea central 182. En una realización alternativa, el anillo 186 es oblicuo (por ejemplo, está orientado en un ángulo agudo u obtuso) con respecto a la línea central 182. Se puede determinar el diámetro exterior de las fibras 165 por el diámetro interior del anillo 186.As shown in Figures 6 and 7, the ring 186 is perpendicular to the center line 182. In an alternative embodiment, the ring 186 is oblique (for example, it is oriented at an acute or obtuse angle) with respect to the center line. 182. The outside diameter of the fibers 165 can be determined by the inside diameter of the ring 186.

Algunas realizaciones facilitan la producción de un parche biomédico que tiene fibras alineadas radialmente y fibras alineadas no radialmente. Por ejemplo, las fibras alineadas radialmente pueden depositarse en una primera capa, y las fibras alineadas no radialmente pueden depositarse en una segunda capa. Alternativamente, las fibras alineadas radialmente y alineadas no radialmente pueden depositarse en una sola capa (por ejemplo, simultáneamente, secuencialmente y/o alternativamente). Por lo que respecta a la Figura 1, puede usarse el sistema 100 para crear fibras orientadas aleatoriamente cargando o conectando a tierra la superficie conductora 162. Opcionalmente, el electrodo periférico 110 y el electrodo central 115 pueden no estar cargados o no tener conexión a tierra (por ejemplo, estar desacoplados del conductor 135).Some embodiments facilitate the production of a biomedical patch that has radially aligned fibers and non-radially aligned fibers. For example, radially aligned fibers can be deposited in a first layer, and non-radially aligned fibers can be deposited in a second layer. Alternatively, the radially aligned and non-radially aligned fibers can be deposited in a single layer (eg, simultaneously, sequentially, and / or alternately). Referring to Figure 1, system 100 can be used to create randomly oriented fibers by charging or grounding conductive surface 162. Optionally, the Peripheral electrode 110 and center electrode 115 may be uncharged or ungrounded (eg, decoupled from conductor 135).

La Figura 8 es una ilustración de una capa 400 de parche biomédico con una pluralidad de fibras orientadas aleatoriamente 405 y una capa 410 de parche biomédico con una pluralidad de fibras alineadas radialmente 415. Como se muestra en la Figura 8, las capas (400 y 410) de parche biomédico pueden combinarse (por ejemplo, de forma superpuesta) para producir un parche biomédico de múltiples capas 420 con fibras orientadas aleatoriamente 405 y fibras alineadas radialmente 415, o cualquier otra combinación de cualquier número o tipo de capas de fibras. La combinación de fibras alineadas no radialmente 405 y fibras alineadas radialmente 415 facilita el suministro de un parche biomédico que promueve la migración celular a un centro del parche biomédico, y a la vez presenta una durabilidad potencialmente mayor (por ejemplo, resistencia a la tracción) que la de un parche biomédico que tiene solo fibras alineadas radialmente 415. La combinación de fibras alineadas no radialmente 405 y fibras alineadas radialmente 415 también puede permitir el control espacial de la migración y la infiltración celular a lo largo de un eje perpendicular al plano del parche biomédico, facilitando así la formación y organización de capas específicas de células y/o proteínas de matriz extracelular que se asemejan a los estratos de tejidos naturales.Figure 8 is an illustration of a biomedical patch layer 400 with a plurality of randomly oriented fibers 405 and a biomedical patch layer 410 with a plurality of radially aligned fibers 415. As shown in Figure 8, the layers (400 and 410) of biomedical patch can be combined (eg, overlapping) to produce a multilayer biomedical patch 420 with randomly oriented fibers 405 and radially aligned fibers 415, or any other combination of any number or type of fiber layers. The combination of non-radially aligned fibers 405 and radially aligned fibers 415 facilitates the delivery of a biomedical patch that promotes cell migration to a center of the biomedical patch, while also exhibiting potentially greater durability (e.g., tensile strength) than that of a biomedical patch having only radially aligned fibers 415. The combination of non-radially aligned fibers 405 and radially aligned fibers 415 can also allow spatial control of cell migration and infiltration along an axis perpendicular to the plane of the patch biomedical, thus facilitating the formation and organization of specific layers of cells and / or extracellular matrix proteins that resemble the layers of natural tissues.

En algunas realizaciones, se pueden combinar múltiples capas 410 de parche biomédico con fibras alineadas radialmente 415 para crear un parche biomédico de múltiples capas. Por ejemplo, por lo que respecta a las Figuras 1 y 3, después de depositar un primer conjunto de fibras en el colector 105, se puede esperar a que el primer conjunto de fibras 165 se solidifique o se cure por completo y luego se deposita un segundo conjunto de fibras 165 en el colector 105. El segundo conjunto de fibras 165 puede ser depositado directamente sobre el primer conjunto de fibras 165 en el colector 105. Alternativamente, se puede retirar el primer conjunto de fibras 165 del colector 105 y el segundo conjunto de fibras 165 puede ser depositado sobre la superficie conductora 162 y/o el colector 105, y después ser retirado y superpuesto sobre el primer conjunto de fibras 165. Dichas realizaciones facilitan una mayor durabilidad del parche biomédico y un control espacial adicional de la migración/actividad celular, incluso cuando solo se usan fibras alineadas radialmente. En algunas realizaciones, se puede colocar un armazón de hidrogel o polimérico entre las capas 400 de parche biomédico y/o las capas 410 de parche biomédico.In some embodiments, multiple layers 410 of biomedical patch can be combined with radially aligned fibers 415 to create a multi-layer biomedical patch. For example, referring to Figures 1 and 3, after depositing a first set of fibers in collector 105, one can wait for the first set of fibers 165 to fully solidify or cure and then deposit a second set of fibers 165 in collector 105. The second set of fibers 165 can be deposited directly on the first set of fibers 165 in collector 105. Alternatively, the first set of fibers 165 can be removed from collector 105 and the second set of fibers of fibers 165 can be deposited on conductive surface 162 and / or collector 105, and then removed and superimposed on first set of fibers 165. Such embodiments facilitate increased durability of the biomedical patch and additional spatial control of migration / cellular activity, even when only radially aligned fibers are used. In some embodiments, a hydrogel or polymeric scaffold may be placed between the biomedical patch layers 400 and / or the biomedical patch layers 410.

Un parche biomédico de múltiples capas puede ser útil para injertos durales y para otras aplicaciones de ingeniería de tejidos. Se pueden crear capas secuenciales de fibras con órdenes variables (por ejemplo, alineadas radialmente u orientadas aleatoriamente) y densidades (por ejemplo, alta o baja densidad de fibras), que pueden permitir la infiltración y población de tipos específicos de células en capas seleccionadas del parche biomédico artificial. Por ejemplo, los parches biomédicos que contienen una alta densidad de fibras generalmente impiden la migración y la infiltración celular, mientras que los parches biomédicos que contienen una baja densidad de fibras generalmente mejoran la migración e infiltración celular.A multilayer biomedical patch can be useful for dural grafts and other tissue engineering applications. Sequential layers of fibers can be created with varying orders (for example, radially aligned or randomly oriented) and densities (for example, high or low fiber density), which can allow infiltration and population of specific cell types into selected layers of the artificial biomedical patch. For example, biomedical patches containing high fiber density generally prevent cell migration and infiltration, while biomedical patches containing low fiber density generally improve cell migration and infiltration.

En general, la capacidad de formar materiales de fibras de múltiples capas, como se describe en el presente documento, puede ser sumamente beneficiosa en la construcción de parches biomédicos diseñados para reproducir la estructura natural de láminas múltiples no solo de la duramadre, sino también de otros tejidos biológicos como la piel, las valvas de válvulas cardíacas, el pericardio y/o cualquier otro tejido biológico. Asimismo, pueden fabricarse una o varias capas de un parche biomédico a partir de polímeros biodegradables, de manera que se reabsorban los materiales de nanofibras resultantes completamente después de la implantación. La manipulación de la composición química de los polímeros utilizados para fabricar estos armazones puede permitir además el control específico de la velocidad de degradación y/o reabsorción de un parche biomédico después de la implantación.In general, the ability to form multilayer fiber materials, as described herein, can be highly beneficial in the construction of biomedical patches designed to reproduce the natural multilayer structure of not only the dura, but also of other biological tissues such as skin, heart valve leaflets, the pericardium and / or any other biological tissue. Also, one or more layers of a biomedical patch can be made from biodegradable polymers, so that the resulting nanofiber materials are fully resorbed after implantation. Manipulation of the chemical composition of the polymers used to make these scaffolds can further allow specific control of the rate of degradation and / or reabsorption of a biomedical patch after implantation.

Algunas realizaciones proporcionan un parche biomédico que incluye una pluralidad de áreas anidadas (por ejemplo, concéntricas). La Figura 9 es un diagrama de un colector 505 con un electrodo central 115, un electrodo periférico primero o interno 510 que define un área cerrada primera o interna 515, y un electrodo periférico segundo o externo 520 que define un área cerrada segunda o externa 525 que es más grande que el área cerrada interna 515. En algunas realizaciones, el electrodo periférico externo 520 está orientado concéntricamente con el electrodo periférico interno 510. Aunque el electrodo periférico interno 510 y el electrodo periférico externo 520 son mostrados como que definen áreas circulares cerradas 515, 525 en la Figura 9, el electrodo periférico interno 510 y el electrodo periférico externo 520 pueden definir áreas cerradas 515, 525 de cualquier forma adecuada para su uso con los métodos descritos en la presente. Además, el área cerrada interna 515 y el área cerrada externa 525 pueden ser de diferentes formas y/o tener diferentes centros.Some embodiments provide a biomedical patch that includes a plurality of nested (eg, concentric) areas. Figure 9 is a diagram of a collector 505 with a center electrode 115, a first or inner peripheral electrode 510 defining a first or inner closed area 515, and a second or outer peripheral electrode 520 defining a second or outer closed area 525 which is larger than the inner closed area 515. In some embodiments, the outer peripheral electrode 520 is oriented concentrically with the inner peripheral electrode 510. Although the inner peripheral electrode 510 and the outer peripheral electrode 520 are shown as defining closed circular areas 515, 525 In Figure 9, the inner peripheral electrode 510 and the outer peripheral electrode 520 may define closed areas 515, 525 in any way suitable for use with the methods described herein. Furthermore, the inner closed area 515 and the outer closed area 525 can be of different shapes and / or have different centers.

En funcionamiento con el sistema de electrohilado 100 (mostrado en la Figura 1), el electrodo central 115 y el colector periférico interior 505 se cargan con la primera amplitud y/o polaridad (opuesta a la polaridad con la que está cargada la hilera 120), mientras que la hilera 120 dispensa el polímero 140 como un flujo 160. El flujo 160 desciende hacia el colector 505 y forma una o varias fibras 530 que se extienden desde el electrodo central 115 al electrodo periférico interno 510.In operation with electrospinning system 100 (shown in Figure 1), central electrode 115 and inner peripheral collector 505 are charged with the first amplitude and / or polarity (opposite to the polarity with which row 120 is charged) , while spinneret 120 dispenses polymer 140 as flow 160. Flow 160 descends into manifold 505 and forms one or more fibers 530 extending from central electrode 115 to inner peripheral electrode 510.

Se elimina la carga de la primera polaridad del electrodo central 115 (por ejemplo, desacoplando el electrodo central 115 del conductor 135), y se carga el electrodo periférico externo 520 con la primera amplitud y/o polaridad. La hilera 120 dispensa el polímero 140 como flujo 160, el cual desciende hacia el colector 505 y forma una o varias fibras 535 que se extienden desde el electrodo periférico interno 510 al electrodo periférico externo 520. Juntas, las fibras 530 y 535 forman un parche biomédico concéntrico 550, como se muestra en la Figura 10. En algunas realizaciones, no se elimina la carga del electrodo central 115 antes de depositar las fibras 535 entre el electrodo periférico interno 510 y el electrodo periférico externo 520.The first polarity of the center electrode 115 is charged (for example, by decoupling the center electrode 115 from the lead 135), and the outer peripheral electrode 520 is charged with the first amplitude and / or polarity. Spinneret 120 dispenses polymer 140 as flow 160, which descends into collector 505 and forms one or more fibers 535 that extend from inner peripheral electrode 510 to outer peripheral electrode 520. Together, the fibers 530 and 535 form a concentric biomedical patch 550, as shown in Figure 10. In some embodiments, the charge is not removed from the central electrode 115 prior to depositing the fibers 535 between the inner peripheral electrode 510 and the outer peripheral electrode 520.

La Figura 10 es un diagrama de un parche biomédico concéntrico 550 que se puede producir con el colector 505 (mostrado en la Figura 9). Las fibras 530 definen un área interna 555, mostrada como un círculo que se extiende desde un centro 560 a un perímetro interior 565. Un área externa 570 incluye fibras 535 que se extienden aproximadamente desde el perímetro interior 565 (por ejemplo, aproximadamente 100 pm a 2000 pm dentro del perímetro interior 565) a un perímetro exterior 575. Las fibras 535 están orientadas radialmente o aproximadamente (por ejemplo, a 1, 3 o 5 grados) radialmente con respecto al centro 560.Figure 10 is a diagram of a concentric biomedical patch 550 that can be produced with the manifold 505 (shown in Figure 9). Fibers 530 define an inner area 555, shown as a circle extending from a center 560 to an inner perimeter 565. An outer area 570 includes fibers 535 that extend approximately from inner perimeter 565 (eg, approximately 100 pm to 2000 pm within the inner perimeter 565) to an outer perimeter 575. The fibers 535 are oriented radially or approximately (eg, 1, 3 or 5 degrees) radially with respect to the center 560.

Como se muestra en la Figura 10, el área interna 555 y el área externa 570 pueden superponerse en un área de solapamiento 580. En una realización, el área de solapamiento 580 corresponde a un grosor del anillo periférico interior 510 (mostrado en la Figura 8). De forma similar a la Figura 3, para mayor claridad, en la Figura 10 se muestra el parche biomédico concéntrico 550 con una pequeña cantidad de fibras 530 y 535. En algunas realizaciones, el área interna 555 y el área externa 570 incluyen cada una miles, decenas de miles, cientos de miles o más fibras 530 y 535, respectivamente. Las fibras 530 y las fibras 535 pueden acoplarse entre sí en el área de solapamiento 580. Por ejemplo, se pueden depositar las fibras 535 antes de que las fibras 530 se hayan solidificado por completo (o viceversa). En algunas realizaciones, las fibras 530 y las fibras 535 son depositadas en el colector 505 (mostrado en la Figura 9) simultáneamente o de forma alternada.As shown in Figure 10, the inner area 555 and the outer area 570 may overlap in an overlap area 580. In one embodiment, the overlap area 580 corresponds to a thickness of the inner peripheral ring 510 (shown in Figure 8 ). Similar to Figure 3, for clarity, Figure 10 shows concentric biomedical patch 550 with a small number of fibers 530 and 535. In some embodiments, inner area 555 and outer area 570 each include thousands , tens of thousands, hundreds of thousands or more fibers 530 and 535, respectively. Fibers 530 and fibers 535 can be coupled to each other in overlap area 580. For example, fibers 535 can be deposited before fibers 530 have fully solidified (or vice versa). In some embodiments, fibers 530 and fibers 535 are deposited in collector 505 (shown in Figure 9) simultaneously or alternately.

Las realizaciones como las mostradas en las Figuras 9 y 10 facilitan la provisión de un parche biomédico que tiene una densidad de fibras relativamente uniforme en toda su extensión. En cambio, si las fibras 530 se extendieran desde el centro 560 al perímetro exterior 575, la densidad de fibras en el centro 560 sería considerablemente mayor que la densidad de fibras en el perímetro exterior 575. La baja densidad de fibras periféricas puede comprometer la durabilidad de un parche biomédico cerca de un perímetro exterior, especialmente en los diámetros de gran tamaño (por ejemplo, superiores a 5 o 6 cm). En consecuencia, dichas realizaciones facilitan también la provisión de un parche biomédico de gran diámetro (por ejemplo, de hasta 10 o 12 cm), a la vez que se mantiene la durabilidad del parche biomédico. En algunas realizaciones, se combina una capa de fibras alineadas no radialmente con el parche biomédico 550, como se ha descrito anteriormente con respecto a la Figura 8, lo que puede mejorar adicionalmente la durabilidad del parche biomédico 550.Embodiments such as those shown in Figures 9 and 10 facilitate the provision of a biomedical patch that has a relatively uniform fiber density throughout. In contrast, if fibers 530 were extended from the center 560 to the outer perimeter 575, the fiber density in the center 560 would be considerably higher than the fiber density in the outer perimeter 575. Low peripheral fiber density can compromise durability of a biomedical patch near an outer perimeter, especially in large diameters (for example, greater than 5 or 6 cm). Accordingly, such embodiments also facilitate the provision of a large diameter biomedical patch (eg, up to 10 or 12 cm), while maintaining the durability of the biomedical patch. In some embodiments, a non-radially aligned fiber layer is combined with the biomedical patch 550, as previously described with respect to Figure 8, which can further enhance the durability of the biomedical patch 550.

En algunas realizaciones, la densidad espacial de las fibras dentro del área interna 555 es diferente de la densidad espacial de las fibras dentro del área externa 570. En un ejemplo, las fibras 530 son depositadas entre el electrodo central 115 y el electrodo periférico interno 510 durante un primer periodo, y las fibras 535 son depositadas entre el electrodo periférico interno 510 y el electrodo periférico externo 520 durante un segundo periodo.In some embodiments, the spatial density of the fibers within the inner area 555 is different from the spatial density of the fibers within the outer area 570. In one example, the fibers 530 are deposited between the center electrode 115 and the inner peripheral electrode 510 during a first period, and the fibers 535 are deposited between the inner peripheral electrode 510 and the outer peripheral electrode 520 during a second period.

Aunque el colector 505 y el parche biomédico concéntrico 550 se ilustran con áreas internas y externas circulares, se puede usar cualquier cantidad y forma de electrodos periféricos para crear cualquier cantidad de áreas de fibras distintas dentro de un parche biomédico.Although collector 505 and concentric biomedical patch 550 are illustrated with circular inner and outer areas, any number and shape of peripheral electrodes can be used to create any number of distinct fiber areas within a biomedical patch.

La Figura 11 es un diagrama de flujo de un ejemplo de método 600 para producir una estructura de fibras alineadas radialmente usando un electrodo periférico que define un área cerrada y un electrodo central situado aproximadamente en un centro del área cerrada. Aunque se muestra una realización del método 600 en la Figura 11, se prevé que se pueda omitir cualquiera de las operaciones ilustradas y que las operaciones se puedan realizar en un orden diferente al mostrado.Figure 11 is a flow chart of an exemplary method 600 for producing a radially aligned fiber structure using a peripheral electrode defining a closed area and a center electrode located approximately in a center of the closed area. Although one embodiment of method 600 is shown in Figure 11, it is envisioned that any of the illustrated operations may be omitted and that the operations may be performed in a different order than shown.

El método 600 incluye cargar eléctricamente 605 el electrodo periférico y el electrodo central con una primera amplitud y/o polaridad (por ejemplo, con carga negativa o conexión a tierra). Una hilera alineada aproximadamente con el electrodo central es cargada eléctricamente 610 con una segunda amplitud y/o polaridad opuesta a la primera amplitud y/o polaridad (por ejemplo, con una carga positiva).The method 600 includes electrically charging 605 the peripheral electrode and the center electrode with a first amplitude and / or polarity (eg, negatively charged or grounded). A row roughly aligned with the center electrode is electrically charged 610 with a second amplitude and / or polarity opposite the first amplitude and / or polarity (eg, with a positive charge).

Se dispensa un polímero (por ejemplo, un polímero líquido) 615 desde la hilera. En un ejemplo de realización, la dispensación 615 del polímero forma una pluralidad de fibras poliméricas que se extienden desde el electrodo central al electrodo periférico para crear una capa de fibras alineadas radialmente.A polymer (eg, a liquid polymer) 615 is dispensed from the spinneret. In one exemplary embodiment, the polymer dispensing 615 forms a plurality of polymeric fibers that extend from the center electrode to the peripheral electrode to create a layer of radially aligned fibers.

Algunas realizaciones facilitan la creación de una estructura concéntrica de fibras alineadas radialmente usando múltiples electrodos periféricos. En una realización, el electrodo periférico es un electrodo periférico interno. Un electrodo periférico externo que define un área cerrada externa más grande que el área cerrada interna está cargado eléctricamente 620 con la primera amplitud y/o polaridad. La carga eléctrica puede eliminarse o no 622 del electrodo central y/o el electrodo periférico interno. El polímero se dispensa 625 desde la hilera para crear un área externa de fibras alineadas radialmente que se extienden desde el electrodo periférico interno al electrodo periférico externo. Some embodiments facilitate the creation of a concentric structure of radially aligned fibers using multiple peripheral electrodes. In one embodiment, the peripheral electrode is an internal peripheral electrode. An outer peripheral electrode defining an outer closed area larger than the inner closed area is electrically charged 620 with the first amplitude and / or polarity. The electrical charge may or may not be removed 622 from the central electrode and / or the inner peripheral electrode. The polymer is dispensed 625 from the spinneret to create an outer area of radially aligned fibers extending from the inner peripheral electrode to the outer peripheral electrode.

Además, algunas realizaciones facilitan la creación de una estructura con múltiples capas que incluye fibras alineadas radialmente y fibras alineadas no radialmente. Se elimina la carga eléctrica 630 del electrodo o electrodos periféricos y del electrodo central. Una superficie conductora debajo de la capa de fibras alineadas radialmente está cargada eléctricamente 635 con la primera amplitud y/o polaridad. El polímero se dispensa 640 desde la hilera para crear una capa de fibras alineadas no radialmente (por ejemplo, orientadas aleatoriamente y/o alineadas de forma uniaxial) sobre la capa de fibras alineadas radialmente.In addition, some embodiments facilitate the creation of a multilayer structure that includes radially aligned fibers and non-radially aligned fibers. The electrical charge 630 is removed from the peripheral electrode (s) and the center electrode. A conductive surface under the layer of radially aligned fibers is charged electrically 635 with the first amplitude and / or polarity. The polymer is dispensed 640 from the spinneret to create a layer of non-radially aligned fibers (eg, randomly oriented and / or uniaxially aligned) over the layer of radially aligned fibers.

La Figura 12 es un diagrama de flujo de un ejemplo de método 700 para reparar un defecto en un tejido biológico. El defecto puede incluir un vacío, un daño y/o cualquier otra afección que tenga como resultado una función disminuida del tejido biológico. En una realización, el método 700 incluye la creación 705 de un vacío en el tejido biológico, y el defecto es el vacío creado. Por ejemplo, el vacío puede crearse 705 mediante una incisión quirúrgica para proporcionar acceso a un tejido subyacente (por ejemplo, un tumor). En otro ejemplo, el vacío se crea 705 cortando tejido necrótico (por ejemplo, células de la piel). Se seleccionan uno o varios parches biomédicos 710 capaces de cubrir el defecto. Por ejemplo, se puede seleccionar una pluralidad de parches biomédicos 710 para un defecto grande y/o complejo (por ejemplo, de forma irregular). El parche biomédico incluye una pluralidad de fibras poliméricas alineadas radialmente que se extienden desde un centro del parche biomédico hasta un perímetro del parche biomédico. Por ejemplo, se puede seleccionar un parche biomédico 710 que tenga un diámetro mayor que el diámetro de un defecto aproximadamente circular.Figure 12 is a flow chart of an example method 700 for repairing a defect in biological tissue. The defect can include a void, damage, and / or any other condition that results in decreased function of the biological tissue. In one embodiment, method 700 includes creating 705 a void in the biological tissue, and the defect is the void created. For example, the void can be created 705 through a surgical incision to provide access to an underlying tissue (eg, a tumor). In another example, the vacuum is created 705 by cutting necrotic tissue (eg, skin cells). One or more biomedical patches 710 capable of covering the defect are selected. For example, a plurality of biomedical patches 710 can be selected for a large and / or complex (eg, irregularly shaped) defect. The biomedical patch includes a plurality of radially aligned polymeric fibers that extend from a center of the biomedical patch to a perimeter of the biomedical patch. For example, a biomedical patch 710 may be selected that has a diameter greater than the diameter of an approximately circular defect.

El parche biomédico seleccionado 710 también puede incluir fibras poliméricas alineadas no radialmente (por ejemplo, orientadas aleatoriamente y/o alineadas uniaxialmente). Por ejemplo, las fibras alineadas radialmente y las fibras alineadas no radialmente pueden estar configuradas en capas separadas.The selected biomedical patch 710 may also include non-radially aligned polymeric fibers (eg, randomly oriented and / or uniaxially aligned). For example, radially aligned fibers and non-radially aligned fibers can be configured in separate layers.

En algunas realizaciones, el parche biomédico incluye múltiples áreas de fibras alineadas radialmente. En una realización, un primer conjunto de fibras alineadas radialmente se extiende desde un centro del parche biomédico hasta un primer perímetro y define un área interna. Un segundo conjunto de fibras alineadas radialmente se extiende desde el primer perímetro hasta un segundo perímetro y define un área externa.In some embodiments, the biomedical patch includes multiple radially aligned fiber areas. In one embodiment, a first set of radially aligned fibers extends from a center of the biomedical patch to a first perimeter and defines an internal area. A second set of radially aligned fibers extends from the first perimeter to a second perimeter and defines an outer area.

Se puede aplicar una sustancia como un factor de crecimiento y/o un fármaco (por ejemplo, un fármaco quimioterapéutico) 715 al parche biomédico. Por ejemplo, el parche biomédico puede sumergirse en dicha sustancia para permitir que esta ocupe una cavidad dentro de las fibras huecas del parche biomédico, dopar el polímero que comprende las fibras en el parche biomédico o recubrir la superficie de las fibras dentro del parche biomédico.A substance such as a growth factor and / or a drug (eg, a chemotherapeutic drug) 715 can be applied to the biomedical patch. For example, the biomedical patch can be immersed in such a substance to allow it to occupy a cavity within the hollow fibers of the biomedical patch, dope the polymer comprising the fibers in the biomedical patch, or coat the surface of the fibers within the biomedical patch.

El parche biomédico se aplica 720 al tejido biológico (por ejemplo, se superpone al mismo) para cubrir al menos una parte del defecto. Por ejemplo, el parche biomédico puede aplicarse 720 a tejido de duramadre, a tejido cardíaco y/o a cualquier tejido biológico que incluya un defecto. En una realización, el perímetro del parche biomédico se extiende más allá del perímetro del defecto, de tal manera que todo el defecto queda cubierto por el parche biomédico. En algunas realizaciones, el parche biomédico está acoplado 725 al tejido biológico mediante una pluralidad de suturas, adhesivos y/u otros medios para unir el parche biomédico al tejido biológico. En una realización alternativa, simplemente se permite al parche biomédico fusionarse con el tejido biológico, por ejemplo, mediante la adhesión de las células biológicas al parche biomédico.The biomedical patch is applied 720 to the biological tissue (eg, overlaps it) to cover at least a portion of the defect. For example, the biomedical patch can be applied 720 to dura tissue, heart tissue, and / or any biological tissue that includes a defect. In one embodiment, the perimeter of the biomedical patch extends beyond the perimeter of the defect such that the entire defect is covered by the biomedical patch. In some embodiments, the biomedical patch is attached 725 to biological tissue by a plurality of sutures, adhesives, and / or other means for attaching the biomedical patch to biological tissue. In an alternative embodiment, the biomedical patch is simply allowed to fuse with the biological tissue, for example, by adhesion of the biological cells to the biomedical patch.

Después de aplicar el parche biomédico 720 y, opcionalmente, acoplarlo 725 al tejido biológico, el tejido biológico queda cubierto 730. En una realización, otro tejido que cubre el defecto (por ejemplo, dermis y/o epidermis) es reparado (por ejemplo, cerrado mediante sutura). En otra realización, se aplican una o varias capas protectoras sobre el tejido biológico. Por ejemplo, se puede aplicar un apósito en un injerto de piel, con o sin una sustancia protectora, como un gel, una pomada y/o un agente antibacteriano. En una realización, la capa protectora incluye una estructura de nanofibras, por ejemplo, un parche biomédico adicional, tal y como se describe en la presente.After applying the biomedical patch 720 and optionally coupling it 725 to the biological tissue, the biological tissue is covered 730. In one embodiment, other tissue covering the defect (eg, dermis and / or epidermis) is repaired (eg, closed by suture). In another embodiment, one or more protective layers are applied to the biological tissue. For example, a dressing can be applied to a skin graft, with or without a protective substance, such as a gel, an ointment, and / or an antibacterial agent. In one embodiment, the protective layer includes a nanofiber structure, eg, an additional biomedical patch, as described herein.

Se pueden utilizar las realizaciones descritas en la presente con cualquier procedimiento neuroquirúrgico que implique la reparación, sustitución o expansión de la duramadre, incluidos, entre otros, un procedimiento transfenoidal (por ejemplo, la extirpación quirúrgica de adenomas pituitarios), varios tipos de cirugías en la base del cráneo y/o la extirpación quirúrgica de tumores craneales o medulares (por ejemplo, meningiomas y/o astrocitomas). En una realización, se puede aplicar un parche biomédico a una fractura ósea (por ejemplo, una fractura compleja). En otra realización, se puede aplicar un parche biomédico en un defecto en la piel (por ejemplo, una quemadura).The embodiments described herein can be used with any neurosurgical procedure involving the repair, replacement, or expansion of the dura, including, but not limited to, a transhenoidal procedure (eg, surgical removal of pituitary adenomas), various types of surgeries in the base of the skull and / or surgical removal of cranial or spinal tumors (eg, meningiomas and / or astrocytomas). In one embodiment, a biomedical patch can be applied to a bone fracture (eg, a complex fracture). In another embodiment, a biomedical patch can be applied to a defect in the skin (eg, a burn).

Asimismo, se pueden utilizar dichas realizaciones para proporcionar un sustituto de duramadre, un parche biomédico para un injerto de piel (por ejemplo, dérmico o epidérmico), un parche biomédico para la reparación traqueal, un armazón para una valva de válvula cardíaca artificial, una malla artificial para la reparación quirúrgica del tubo gastrointestinal (por ejemplo, una hernia abdominal o una úlcera) y una malla artificial para la reparación quirúrgica de defectos cardíacos. Por ejemplo, puede usarse un parche biomédico cardíaco que incluye fibras alineadas radialmente para promover la regeneración de cardiomiocitos. Las realizaciones descritas en la presente facilitan la provisión de un parche cardíaco de suficiente flexibilidad para permitir el movimiento del parche biomédico por un tejido biológico (por ejemplo, cardiomiocitos).Likewise, such embodiments can be used to provide a dura substitute, a biomedical patch for a skin graft (eg, dermal or epidermal), a biomedical patch for tracheal repair, a frame for an artificial heart valve leaflet, a artificial mesh for the surgical repair of the gastrointestinal tract (for example, an abdominal hernia or ulcer) and an artificial mesh for the surgical repair of heart defects. For example, a cardiac biomedical patch that includes radially aligned fibers can be used to promote regeneration of cardiomyocytes. The embodiments described herein facilitate the provision of a cardiac patch of sufficient flexibility to allow movement of the biomedical patch through biological tissue (eg, cardiomyocytes).

En algunas realizaciones, un parche biomédico tiene un grosor inferior al grosor del tejido biológico que se está reparando. A medida que las células migran a lo largo de las fibras radiales del parche biomédico, el tejido biológico se regenera. In some embodiments, a biomedical patch is less thick than the biological tissue being repaired. As cells migrate along the radial fibers of the biomedical patch, the biological tissue regenerates.

Los parches biomédicos con fibras poliméricas alineadas radialmente facilitan la reducción del coste de reparación tisular, mejoran el tiempo de curación del tejido y reducen o eliminan el riesgo de infección zoonótica. Además, dichos parches biomédicos son relativamente sencillos de fabricar, lo que permite la adaptación de la forma, el tamaño y la composición química y una mejor disponibilidad y ausencia de inmunogenicidad. Además, los parches biomédicos con fibras poliméricas alineadas radialmente presentan excelentes propiedades de manipulación debido a su composición similar a la tela, eliminan la necesidad de una segunda cirugía para cosechar tejido de injerto autólogo y reducen el riesgo de contractura y adhesión en comparación con otros productos conocidos.Biomedical patches with radially aligned polymeric fibers facilitate reduction in the cost of tissue repair, improve tissue healing time, and reduce or eliminate the risk of zoonotic infection. Furthermore, such biomedical patches are relatively simple to manufacture, allowing for adaptation of shape, size and chemical composition and better availability and lack of immunogenicity. Additionally, biomedical patches with radially aligned polymeric fibers exhibit excellent handling properties due to their fabric-like composition, eliminate the need for a second surgery to harvest autologous graft tissue, and reduce the risk of contracture and adhesion compared to other products. known.

Resultados experimentalesExperimental results

La duramadre es una membrana fibrosa compleja que consiste en numerosas células y tipos de células, proteínas de matriz extracelular y factores tróficos, todos los cuales desempeñan un papel importante en la colonización y duralización de los sustitutos durales artificiales, así como en la implementación con éxito de dichos parches biomédicos in vivo. Con el fin de evaluar la capacidad de las nanofibras alineadas radialmente para interactuar con la duramadre natural, promover la adhesión de la célula hospedadora al injerto y mejorar la migración de la célula hospedadora a lo largo del injerto, se desarrolló un modelo ex vivo de la reparación quirúrgica de un pequeño defecto dural.The dura mater is a complex fibrous membrane consisting of numerous cells and cell types, extracellular matrix proteins, and trophic factors, all of which play an important role in the colonization and duralization of artificial dural substitutes, as well as their successful implementation. of said biomedical patches in vivo. In order to assess the ability of radially aligned nanofibers to interact with natural dura, promote host cell adhesion to the graft, and enhance host cell migration throughout the graft, an ex vivo model of the graft was developed. Surgical repair of a small dural defect.

En un procedimiento habitual, se introdujo un “defecto dural artificial” en una pieza de duramadre (1 cm x 1 cm) seccionando microquirúrgicamente un orificio circular pequeño, de 7 mm de diámetro, en el centro de la muestra. A continuación, se utilizó un armazón basado en nanofibras para reparar el defecto artificial mediante la superposición del injerto sobre la muestra dural.In a standard procedure, an "artificial dural defect" was introduced into a piece of dura (1 cm x 1 cm) by microsurgically sectioning a small circular hole, 7 mm in diameter, in the center of the specimen. Next, a nanofiber-based scaffold was used to repair the artificial defect by overlaying the graft on the dural sample.

La Figura 13 es una ilustración esquemática de células biológicas que se extienden desde el tejido dural intacto, situado adyacente al borde de un armazón, hasta la porción central del armazón a lo largo de nanofibras alineadas radialmente. El injerto cubrió todo el defecto dural simulado, a la vez que entraba en contacto simultáneamente con el tejido dural en la periferia de la muestra, y demuestra la capacidad de las células nativas en el tejido intacto para adherirse fácilmente y migrar a través de los armazones de nanofibras.Figure 13 is a schematic illustration of biological cells extending from intact dural tissue, located adjacent to the edge of a scaffold, to the central portion of the scaffold along radially aligned nanofibers. The graft covered the entire simulated dural defect, while simultaneously coming into contact with the dural tissue at the periphery of the specimen, and demonstrates the ability of native cells in intact tissue to easily adhere and migrate through the scaffolds. of nanofibers.

Las Figuras 14A-14D son una colección de micrografías de fluorescencia que comparan la migración de células cuando se cultivaron tejidos durales en armazones de nanofibras alineadas radialmente (Figuras 14A y 14C) y nanofibras orientadas aleatoriamente (Figuras 14B y 14D) durante 4 días usando un sistema de cultivo de células hecho a medida (Figura 15). Las Figuras 14C y 14D son vistas ampliadas de la parte central mostrada en, respectivamente, las Figuras 14A y 14B. La flecha marca el centro del armazón.Figures 14A-14D are a collection of fluorescence micrographs comparing cell migration when dural tissues were grown on radially aligned nanofiber scaffolds (Figures 14A and 14C) and randomly oriented nanofibers (Figures 14B and 14D) for 4 days using a custom-made cell culture system (Figure 15). Figures 14C and 14D are enlarged views of the central portion shown in, respectively, Figures 14A and 14B. The arrow marks the center of the frame.

Como se muestra en la Figura 14A, los fibroblastos durales teñidos con diacetato de fluoresceína (FDA) migraron desde el tejido circundante a lo largo de las nanofibras alineadas radialmente y más allá al centro del armazón circular después de una incubación durante 4 días. Se descubrió que las células podían cubrir completamente toda la superficie del armazón en 4 días. Al contrario, se observó un vacío después del mismo período de tiempo de incubación para un armazón hecho de fibras aleatorias (Figura 14B), lo que indica una migración más rápida de células nativas en los armazones de nanofibras alineadas radialmente que en los de sus homólogas aleatorias. Está claro que el armazón hecho de nanofibras alineadas radialmente (mostrado en las Figuras 14A y 14C) estaba completamente poblado de células durales que habían migrado desde los bordes del tejido dural adyacente. Por el contrario, una región acelular es claramente visible en el centro del armazón formado por las nanofibras orientadas aleatoriamente después del mismo tiempo de incubación, lo que indica que la infiltración celular fue incompleta y se produjo a un ritmo más lento.As shown in Figure 14A, fluorescein diacetate (FDA) stained dural fibroblasts migrated from the surrounding tissue along the radially aligned nanofibers and beyond to the center of the circular scaffold after incubation for 4 days. It was found that the cells could completely cover the entire scaffold surface in 4 days. In contrast, a void was observed after the same incubation time period for a scaffold made of random fibers (Figure 14B), indicating faster migration of native cells in the radially aligned nanofiber scaffolds than their counterparts. random. It is clear that the scaffold made of radially aligned nanofibers (shown in Figures 14A and 14C) was completely populated with dural cells that had migrated from the edges of the adjacent dural tissue. In contrast, an acellular region is clearly visible in the center of the scaffold formed by the randomly oriented nanofibers after the same incubation time, indicating that cellular infiltration was incomplete and occurred at a slower rate.

Con el fin de investigar en mayor profundidad el efecto del alineamiento de las fibras y la modificación posterior del armazón de nanofibras en la migración celular, se cultivaron fibroblastos durales primarios aislados de tejido de duramadre en armazones de nanofibras alineadas radialmente y orientadas aleatoriamente con y sin recubrimiento de fibronectina. La Figura 15 es un diagrama esquemático de un sistema de cultivo de células hecho a medida y diseñado para modelar la curación de heridas de defectos de tejidos. Específicamente, se sembraron selectivamente fibroblastos durales alrededor de la periferia de un armazón circular de nanofibras, formando efectivamente un “defecto dural simulado” de 7 mm en el centro de la muestra.In order to further investigate the effect of fiber alignment and subsequent modification of the nanofiber scaffold on cell migration, primary dural fibroblasts isolated from dura tissue were cultured on randomly oriented, radially aligned nanofiber scaffolds with and without fibronectin coating. Figure 15 is a schematic diagram of a custom made cell culture system designed to model tissue defect wound healing. Specifically, dural fibroblasts were selectively seeded around the periphery of a circular nanofiber scaffold, effectively forming a 7mm "simulated dural defect" in the center of the sample.

Las Figuras 16A-16D son micrografías de fluorescencia en las que se muestran la morfología y distribución celular en los armazones de nanofibras alineadas radialmente (Figuras 16A y 16C) y de nanofibras orientadas aleatoriamente (Figuras 16B y 16D) con y sin recubrimiento de fibronectina después de una incubación de 1 día. Como se muestra en la Figura 16A, muchas células podían unirse a los armazones no recubiertos que incluyen nanofibras alineadas radialmente. En comparación, se observaron un número menor de células unidas deficientemente al armazón sin recubrimiento de nanofibras orientadas aleatoriamente y agregaciones de células (Figura 16B). Las células sembradas se distribuyeron uniformemente por toda la superficie del armazón recubierto con fibronectina de nanofibras alineadas radialmente, y exhibieron una forma alargada paralela al eje de alineación de las nanofibras (Figura 16C). Este resultado indica que el recubrimiento de fibronectina podría mejorar la influencia de las indicaciones topográficas sobre la morfología celular proporcionada por las fibras alineadas. Las células también podían adherirse adecuadamente al armazón recubierto con fibronectina de nanofibras orientadas aleatoriamente y la distribución celular era más uniforme que en las muestras no recubiertas, aunque no se observó elongación o alineamiento celular (Figura16D). La organización aleatoria de las células en los armazones de nanofibras orientadas aleatoriamente también imita la organización de las células en el tejido cicatricial. Esto indica que los armazones alineados pueden ayudar a reducir la formación de tejido cicatricial al promover una organización/función celular más regular.Figures 16A-16D are fluorescence micrographs showing cell morphology and distribution in scaffolds of radially aligned nanofibers (Figures 16A and 16C) and randomly oriented nanofibers (Figures 16B and 16D) with and without fibronectin coating after of a 1 day incubation. As shown in Figure 16A, many cells were able to bind to the uncoated scaffolds that include radially aligned nanofibers. In comparison, fewer cells poorly bound to scaffold without randomly oriented nanofiber coating and cell aggregations were observed (Figure 16B). The seeded cells were evenly distributed over the entire surface of the fibronectin-coated scaffold of radially aligned nanofibers, and exhibited an elongated shape parallel to the alignment axis of the nanofibers (Figure 16C). This result indicates that the fibronectin coating could improve the influence of topographic indications on the cell morphology provided by the aligned fibers. Cells were also able to adhere adequately to the fibronectin-coated scaffold of randomly oriented nanofibers and cell distribution was more uniform. than in the uncoated samples, although no elongation or cell alignment was observed (Figure 16D). The random organization of cells in the randomly oriented nanofiber scaffolds also mimics the organization of cells in scar tissue. This indicates that aligned scaffolds can help reduce scar tissue formation by promoting more regular cell organization / function.

Para caracterizar la motilidad celular en el armazón, las células se tiñeron con FDA y se tomaron imágenes de fluorescencia en distintos momentos. Las Figuras 17A-17D son micrografías de fluorescencia en las que se muestra la migración de fibroblastos de duramadre sembrados en armazones recubiertos con fibronectina de nanofibras alineadas radialmente durante 1 día (Figura 17A), 3 días (Figura 17B) y 7 días (Figura 17C). La Figura 17D es una vista ampliada de la Figura 17C. Las células se alinearon radialmente, replicando la alineación de las fibras subyacentes, como se muestra en la Figura 17D.To characterize cell motility in the scaffold, cells were stained with FDA and fluorescence images were taken at different time points. Figures 17A-17D are fluorescence micrographs showing the migration of dura fibroblasts seeded on radially aligned nanofiber fibronectin-coated scaffolds for 1 day (Figure 17A), 3 days (Figure 17B), and 7 days (Figure 17C). ). Figure 17D is an enlarged view of Figure 17C. The cells were radially aligned, replicating the alignment of the underlying fibers, as shown in Figure 17D.

La capacidad de los fibroblastos durales para migrar y repoblar un defecto dural simulado se midió como una estimación de la capacidad regenerativa del sustituto en diversos momentos a lo largo del experimento. La Figura 18 es una ilustración de la determinación (por ejemplo, el cálculo) del área del defecto dural simulado que sigue presente en el armazón en un momento determinado. La Figura 19 es una ilustración del área de espacio vacío como una función del tiempo de incubación. En la Figura 19, “aleatorias” indica muestras con un armazón de fibras aleatorias; “aleatorias F” indica muestras con un armazón de fibras aleatorias recubierto con fibronectina; “alineadas” indica muestras con un armazón de fibras alineadas radialmente, y “alineadas F” indica muestras con un armazón de fibras alineadas radialmente recubierto con fibronectina. Un asterisco (*) y una almohadilla (#) indican una probabilidad p < 0,05 para las muestras en comparación con las muestras aleatorias y las muestras aleatorias F en el mismo período de tiempo de incubación.The ability of dural fibroblasts to migrate and repopulate a simulated dural defect was measured as an estimate of the regenerative capacity of the surrogate at various times throughout the experiment. Figure 18 is an illustration of the determination (eg, calculation) of the area of the simulated dural defect that is still present in the framework at a given time. Figure 19 is an illustration of the area of void space as a function of incubation time. In Figure 19, "random" indicates samples with a scaffold of random fibers; "Random F" indicates samples with a fibronectin coated random fiber scaffold; "Aligned" indicates samples with a radially aligned fiber framework, and "aligned F" indicates samples with a radially aligned fiber framework coated with fibronectin. An asterisk (*) and a pound sign (#) indicate a probability p <0.05 for the samples compared to the random samples and the F random samples in the same incubation time period.

El área de vacío disminuyó al aumentar el tiempo de incubación para todos los armazones sometidos a pruebas debido a la migración de las células hacia el interior. Como se ilustra en las Figuras 17A-17D, las fibras alineadas pueden mejorar significativamente la migración celular en comparación con las fibras aleatorias, y la migración más rápida de las células se produjo en el armazón de nanofibras alineadas radialmente recubierto con fibronectina durante los primeros 3 días de incubación. Aproximadamente 5 mm2 de superficie quedaron sin cubrir por las células en los armazones aleatorios no recubiertos incluso después de la incubación durante 7 días. En cambio, las células cubrieron casi la totalidad del área del defecto simulado dentro del mismo período de incubación en los otros tres tipos de armazones.The void area decreased with increasing incubation time for all scaffolds tested due to inward migration of cells. As illustrated in Figures 17A-17D, aligned fibers can significantly improve cell migration compared to random fibers, and the fastest cell migration occurred in the fibronectin-coated radially aligned nanofiber scaffold for the first 3 days of incubation. Approximately 5 mm2 of surface area remained uncovered by cells in the uncoated random scaffolds even after incubation for 7 days. Instead, the cells covered almost the entire area of the simulated defect within the same incubation period in the other three scaffold types.

Las Figuras 20A-20D son micrografías de fluorescencia en las que se muestran fibroblastos durales vivos marcados con tinte de membrana en armazones de nanofibras alineadas radialmente con recubrimiento de fibronectina después de un cultivo de 1 día (Figura 20A), un cultivo de 3 días (Figura 20B), un cultivo de 7 días (Figura 20C) y un cultivo de 10 días (Figura 20D). La Figura 20D incluye un recuadro interior de una imagen de gran aumento de la Figura 20D que indica que las células se alinearon radialmente en los armazones alineados. También se confirmó la migración celular hacia el centro de un armazón de nanofibras alineadas radialmente recubierto de fibronectina mediante imágenes tomadas a intervalos prefijados en las Figuras 20A-20D.Figures 20A-20D are fluorescence micrographs showing membrane-stained living dural fibroblasts in radially aligned nanofiber scaffolds coated with fibronectin after a 1-day culture (Figure 20A), a 3-day culture ( Figure 20B), a 7-day culture (Figure 20C) and a 10-day culture (Figure 20D). Figure 20D includes an inset of a high magnification image of Figure 20D indicating that cells were radially aligned in the aligned scaffolds. Cell migration towards the center of a radially aligned nanofiber scaffold coated with fibronectin was also confirmed by images taken at preset intervals in Figures 20A-20D.

El tejido dural se compone principalmente de colágeno de tipo I. También se examinó la producción de colágeno de tipo I a partir de fibroblastos durales. Las Figuras 21A-21D son micrografías de fluorescencia obtenidas mediante la inmunotinción de colágeno de tipo I con núcleos celulares con 4',6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) en azul para armazones de fibras alineadas radialmente (Figuras 21A y 21C) y fibras orientadas aleatoriamente (Figuras 21b y 21D). Se observó que las células en los armazones de fibras alineadas radialmente producían niveles comparables de colágeno de tipo I cuando se comparaban con los armazones de fibras aleatorias, aunque un estudio previo mostró que las células más alargadas expresaban un colágeno de tipo I más alto que las células menos alargadas. Además, el revestimiento de fibronectina no tuvo una influencia significativa en la producción de colágeno de tipo I. El colágeno de tipo I se orientó al azar para los armazones aleatorios, asemejándose a la composición extracelular del tejido cicatricial amorfo, y poseía un alto grado de organización para los armazones alineados radialmente, asemejándose a un tejido conjuntivo saludable.Dural tissue is mainly composed of type I collagen. Production of type I collagen from dural fibroblasts was also examined. Figures 21A-21D are fluorescence micrographs obtained by immunostaining of type I collagen with cell nuclei with 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) in blue for radially aligned fiber scaffolds (Figures 21A and 21C) and randomly oriented fibers (Figures 21b and 21D). Cells in radially aligned fiber scaffolds were observed to produce comparable levels of type I collagen when compared to random fiber scaffolds, although a previous study showed that more elongated cells expressed higher type I collagen than cells. less elongated cells. Furthermore, the fibronectin coating did not have a significant influence on type I collagen production. Type I collagen was randomly targeted for the random scaffolds, resembling the extracellular composition of amorphous scar tissue, and possessed a high degree of organization for frames aligned radially, resembling healthy connective tissue.

Los avances recientes en la interacción entre célula y biomateriales han demostrado que las propiedades químicas y topográficas de la superficie de los materiales pueden regular y controlar la forma y función de la célula. La orientación, motilidad, adhesión y forma celulares pueden ser moduladas mediante microtopografías y nanotopografías de superficie específicas. Las células se pueden alinear a lo largo de microranuras o características topográficas similares en una superficie. Se demostró que los fibroblastos eran el tipo de célula más sensible en comparación con las células endoteliales y las células de músculo liso, y respondían con una alineación, elongación y migración robustas a lo largo de dichas características topográficas.Recent advances in the interaction between cells and biomaterials have shown that the chemical and topographic properties of the surface of materials can regulate and control the shape and function of the cell. Cell orientation, motility, adhesion, and shape can be modulated by specific surface micro- and nanotopographies. Cells can be aligned along microgrooves or similar topographic features on a surface. Fibroblasts were shown to be the most sensitive cell type compared to endothelial cells and smooth muscle cells, responding with robust alignment, elongation, and migration along these topographic features.

Simultáneamente, se ha utilizado ampliamente el electrohilado para producir nanofibras para una amplia variedad de aplicaciones en ingeniería de tejidos, incluidos los injertos de piel, los vasos sanguíneos artificiales, la reparación de nervios y otras. Sin embargo, los estudios previos se limitaron al uso de armazones hechos de nanofibras alineadas aleatoriamente y uniaxialmente. Los armazones compuestos por nanofibras alineadas uniaxialmente no son prácticos para las aplicaciones de curación de heridas debido a que es frecuente que las heridas tengan una forma irregular. El trabajo descrito en la presente demostró por primera vez la fabricación de un nuevo tipo de armazones hechos de nanofibras alineadas radialmente. Este nuevo tipo de armazón puede servir de guía para los fibroblastos durales que se extienden en la dirección de la alineación de las fibras y dirigir la motilidad celular hacia el centro del armazón, lo que tiene como resultado una migración e infiltración celular más rápida en comparación con los armazones compuestos de nanofibras orientadas aleatoriamente.Simultaneously, electrospinning has been widely used to produce nanofibers for a wide variety of applications in tissue engineering, including skin grafts, artificial blood vessels, nerve repair, and others. However, previous studies were limited to the use of scaffolds made of randomly and uniaxially aligned nanofibers. Scaffolds composed of uniaxially aligned nanofibers are impractical for wound healing applications because wounds are often irregular in shape. The work described herein demonstrated for the first time the fabrication of a new type of frames made of radially aligned nanofibers. This new type of scaffold can guide dural fibroblasts extending in the direction of fiber alignment and direct cell motility toward the center of the scaffold, resulting in faster cell migration and infiltration in comparison. with scaffolds composed of randomly oriented nanofibers.

Además, los armazones de nanofibras alineadas uniaxialmente no pueden igualar tal capacidad, ya que solo pueden guiar la migración celular en una dirección. Se informó que el control de la orientación o la morfología celular mediante la topografía, la denominada “guía de contacto”, podría permitir la organización de la matriz extracelular. Para la mayoría de las lesiones, la reparación tiene como consecuencia que el tejido previamente funcional se convierte en una amalgama desorganizada de células (por ejemplo, fibroblastos) y una matriz extracelular (por ejemplo, fibras de colágeno) conocida como cicatriz. Se requieren células y una matriz extracelular altamente organizadas para la regeneración y función tisulares adecuadas, lo que normalmente es muy diferente de la reparación de tejido con cicatrización. Se ha demostrado en el presente trabajo que el colágeno de tipo I de la matriz extracelular en armazones de nanofibras alineadas radialmente mostraba un alto grado de organización, lo que indica que los armazones de nanofibras alineadas radialmente pueden reducir la posibilidad de formación de tejido cicatricial después de la curación de heridas.Furthermore, uniaxially aligned nanofiber scaffolds cannot match such capacity, as they can only guide cell migration in one direction. It was reported that the control of cell orientation or morphology by topography, the so-called "contact guide", could allow the organization of the extracellular matrix. For most injuries, repair results in previously functional tissue becoming a disorganized amalgam of cells (eg, fibroblasts) and an extracellular matrix (eg, collagen fibers) known as a scar. Highly organized cells and extracellular matrix are required for proper tissue regeneration and function, which is typically very different from repair of scar tissue. It has been shown in the present work that extracellular matrix type I collagen in radially aligned nanofiber scaffolds showed a high degree of organization, indicating that radially aligned nanofiber scaffolds may reduce the possibility of scar tissue formation afterwards. of wound healing.

Un sustituto de duramadre debe ser seguro, eficaz, fácil de manejar, impermeable al agua y fácil de integrar en el tejido circundante para formar un nuevo tejido similar al tejido nativo. Asimismo, debe evitar reacciones perjudiciales causadas por cuerpos extraños, estar libre de cualquier riesgo potencial de infecciones, tener propiedades mecánicas similares a las de la duramadre natural -en particular con respecto a su flexibilidad y resistencia-, ser estable y/o almacenable, y estar disponible para su uso inmediato. En el presente trabajo, se eligió el polímero biodegradable policaprolactona (PCL) como material para el sustituto dural, ya que la PCL posee algunas ventajas en comparación con otros poliésteres bioabsorbibles. La degradación heterogénea de PGA y ácido poli(L-láctico) (PLLA) podría tener como consecuencia un aumento repentino de los productos de degradación, lo que daría como resultado condiciones ácidas y reacciones tóxicas en el tejido circundante. La degradación de la PCL es más lenta y produce productos de degradación menos ácidos y se ha estudiado como material de vendaje para heridas desde la década de 1970.A dura substitute must be safe, effective, easy to handle, impervious to water, and easy to integrate into the surrounding tissue to form new tissue similar to native tissue. Likewise, it must avoid harmful reactions caused by foreign bodies, be free from any potential risk of infection, have mechanical properties similar to those of natural dura mater -particularly with respect to its flexibility and resistance-, be stable and / or storable, and be available for immediate use. In the present work, the biodegradable polymer polycaprolactone (PCL) was chosen as the material for the dural substitute, since PCL has some advantages compared to other bioabsorbable polyesters. Heterogeneous degradation of PGA and poly (L-lactic acid) (PLLA) could result in a sudden increase in degradation products, resulting in acidic conditions and toxic reactions in the surrounding tissue. The degradation of PCL is slower and produces less acidic degradation products and has been studied as a wound dressing material since the 1970s.

Con el fin de obtener propiedades herméticas al agua, el armazón de nanofibras alineadas radialmente puede combinarse con una estera no tejida para formar sustitutos de dos capas o incluso de múltiples capas. Simultáneamente, se pueden encapsular los antibióticos fácilmente dentro de las nanofibras para reducir adicionalmente la respuesta inflamatoria, mejorar la curación de heridas y prevenir una adhesión posterior a la cirugía. Alternativamente, la PCL puede mezclarse con otros polímeros para mejorar aún más su biocompatibilidad, así como también sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Además, se pueden inmovilizar las proteínas extracelulares y/o los factores de crecimiento en la superficie de las nanofibras usando diversos enfoques de modificación de superficie para mejorar la adhesión celular. El trabajo actual demuestra el efecto del recubrimiento de fibronectina en las nanofibras de PCL a través de la interacción electrostática en la adhesión y la motilidad de los fibroblastos durales. Los resultados presentados en la presente demuestran que el recubrimiento con fibronectina mejoró la adhesión de fibroblastos durales y mejoró la migración celular en armazones de nanofibras orientadas aleatoriamente. En cambio, el recubrimiento tuvo una contribución marginal a la motilidad celular en los armazones de nanofibras alineadas radialmente, en comparación con los armazones sin recubrimiento, lo que indica el papel predominante desempeñado por la alineación de nanofibras y la topografía superficial resultante.In order to obtain watertight properties, the radially aligned nanofiber scaffold can be combined with a nonwoven mat to form two-layer or even multi-layer substitutes. Simultaneously, antibiotics can be easily encapsulated within the nanofibers to further reduce the inflammatory response, improve wound healing, and prevent adhesion after surgery. Alternatively, PCL can be blended with other polymers to further enhance its biocompatibility, as well as its mechanical, physical, and chemical properties. In addition, extracellular proteins and / or growth factors can be immobilized on the surface of nanofibers using various surface modification approaches to enhance cell adhesion. Current work demonstrates the effect of fibronectin coating on PCL nanofibers through electrostatic interaction on dural fibroblast adhesion and motility. The results presented herein demonstrate that fibronectin coating improved dural fibroblast adhesion and enhanced cell migration in randomly oriented nanofiber scaffolds. In contrast, coating had a marginal contribution to cell motility in radially aligned nanofiber scaffolds, compared to uncoated scaffolds, indicating the predominant role played by nanofiber alignment and the resulting surface topography.

En resumen, en la presente se describe la fabricación de un nuevo tipo de armazón de nanofibras electrohiladas que incluye fibras alineadas radialmente y la posible aplicación de tales estructuras como sustitutos durales. Los fibroblastos durales cultivados en armazones de nanofibras alineadas radialmente se alargaron de forma paralela al eje de las fibras, y la migración celular hacia el centro del armazón se aceleró junto con el desarrollo de una configuración regular de matriz extracelular similar a colágeno de tipo I, lo que potencialmente promueve la regeneración rápida y la formación de neodura. Tomados en conjunto, estos resultados indican que las nanofibras alineadas radialmente poseen un gran potencial como un sustituto dural artificial, pueden ofrecer una alternativa en la reparación de los defectos durales, y, además, ocupan un lugar único y deseable dentro de la comunidad neuroquirúrgica.In summary, the present describes the manufacture of a new type of electrospun nanofiber scaffold that includes radially aligned fibers and the possible application of such structures as dural substitutes. Dural fibroblasts grown on radially aligned nanofiber scaffolds elongated parallel to the axis of the fibers, and cell migration toward the center of the scaffold accelerated along with the development of a regular type I collagen-like extracellular matrix configuration, which potentially promotes rapid regeneration and neodura formation. Taken together, these results indicate that radially aligned nanofibers have great potential as an artificial dural substitute, may offer an alternative in the repair of dural defects, and, furthermore, occupy a unique and desirable place within the neurosurgical community.

Resultados experimentales adicionalesAdditional experimental results

En un procedimiento habitual de electrohilado de nanofibras de PCL (Mw = 65 kDa, Sigma-Aldrich), se usó una solución de PCL al 20 % (p/v) en una mezcla de diclorometano (DCM) y N, N-dimetilformamida (DMF) (Fisher Chemical) con una relación de volumen de 8:2. Las fibras se hilaron a 10-17 kV con una velocidad de alimentación de 0,5 ml/h en adelante, junto con una aguja de calibre 23 como hilera. Se usó un trozo de lámina de aluminio como colector para obtener armazones de nanofibras aleatorias. Se fabricaron los armazones de nanofibras alineadas radialmente utilizando un colector que consistía en un electrodo de anillo (por ejemplo, un anillo de metal) y un electrodo con punta (por ejemplo, una aguja afilada). Se recubrieron las nanofibras de PCL electrohiladas con fibronectina (Millipore, Temecular, California) de la siguiente manera. Se esterilizaron los armazones de fibras electrohiladas al dejarlos en remojo en etanol al 70 % durante una noche y se lavaron tres veces con tampón fosfato salino (PBS). A continuación, los armazones se sumergieron en una solución de 0,1 % de poli-L-lisina (PLL) (Sigma-Aldrich) durante una hora a temperatura ambiente, y después se lavaron con tampón PBS (Invitrogen) tres veces. In a common PCL nanofiber electrospinning procedure (Mw = 65 kDa, Sigma-Aldrich), a 20% (w / v) solution of PCL in a mixture of dichloromethane (DCM) and N, N-dimethylformamide ( DMF) (Fisher Chemical) with a volume ratio of 8: 2. The fibers were spun at 10-17 kV with a feed rate of 0.5 ml / hr onwards, along with a 23 gauge needle as the spinneret. A piece of aluminum foil was used as a collector to obtain random nanofiber scaffolds. The radially aligned nanofiber scaffolds were fabricated using a collector consisting of a ring electrode (eg, a metal ring) and a pointed electrode (eg, a sharp needle). The electrospun PCL nanofibers were coated with fibronectin (Millipore, Temecular, California) as follows. Electrospun fiber scaffolds were sterilized by soaking in 70% ethanol overnight and washed three times with phosphate buffered saline (PBS). The scaffolds were then soaked in 0.1% poly-L-lysine (PLL) solution (Sigma-Aldrich) for one hour at room temperature, and then washed with PBS buffer (Invitrogen) three times.

Posteriormente, las muestras se sumergieron en una solución de fibronectina (26 |jl 50 jg/m l de solución de fibronectina diluida con 5 ml de tampón PBS) a 4 °C durante una noche. Con anterioridad a la siembra de células, se eliminó la solución de fibronectina y se enjuagaron los armazones de nanofibras con tampón PBS.Subsequently, the samples were immersed in a fibronectin solution (26 µl 50 µg / µl of fibronectin solution diluted with 5 ml of PBS buffer) at 4 ° C overnight. Prior to cell seeding, the fibronectin solution was removed and the nanofiber scaffolds were rinsed with PBS buffer.

Los armazones de nanofibras de PCL se recubrieron por pulverización catódica con oro antes de tomar imágenes con un microscopio electrónico de barrido (Nova 200 NanoLab, FEI, Oregón, Estados Unidos) con un voltaje de aceleración de 15 kV. Se insertaron muestras preparadas para su uso en cultivos celulares en una placa de cultivo de poliestireno tratado para el cultivo celular (TCPS) de 24 pocillos y se esterilizaron mediante el remojo de los armazones en etanol al 70 %.The PCL nanofiber scaffolds were sputter coated with gold prior to imaging with a scanning electron microscope (Nova 200 NanoLab, FEI, Oregon, USA) with an acceleration voltage of 15 kV. Samples prepared for use in cell cultures were inserted into a 24-well cell culture treated polystyrene (TCPS) culture plate and sterilized by soaking the scaffolds in 70% ethanol.

Se aislaron los fibroblastos a partir de secciones de duramadre explantada. Específicamente, se extrajo una sección de duramadre de 2,0 cm x 1,5 cm mediante una disección cortante, la cual se lavó tres veces con PBS frío. A continuación, se aislaron los fibroblastos durales mediante el ablandamiento de duramadre picada tres veces en 4 ml de Solución Salina Equilibrada de Hank (HBSS) que contenía 0,05 % de Tripsina y 0,04 % de EDTA (Sigma-Aldrich, St. Louis, Misuri). Después del ablandamiento, el sobrenadante recogido se centrifugó y se aisló y resuspendió el sedimento de células durales en un medio modificado por Dulbecco de Eagle (DMEM) suplementado con un 10 % de suero bovino y un 1 % de penicilina y estreptomicina. Las células de la duramadre obtenidas de esta manera se prepararon en placas en matraces de 75 cm2 y se expandieron (transfirieron a un nuevo medio de cultivo no más de 5 veces).Fibroblasts were isolated from explanted dura sections. Specifically, a 2.0 cm x 1.5 cm section of dura was removed by sharp dissection, which was washed three times with cold PBS. Dural fibroblasts were then isolated by softening chopped dura mater three times in 4 ml of Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) containing 0.05% Trypsin and 0.04% EDTA (Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri). After softening, the collected supernatant was centrifuged and the dural cell pellet isolated and resuspended in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) supplemented with 10% bovine serum and 1% penicillin and streptomycin. Dura cells obtained in this way were plated in 75 cm2 flasks and expanded (transferred to a new culture medium no more than 5 times).

Se colocaron piezas grandes y continuas de duramadre en PBS frío y se cortaron microquirúrgicamente en secciones de 1 cm x 1 cm. A continuación, se introdujo un defecto artificial en cada sección de la duramadre cortando microquirúrgicamente un pequeño orificio circular, de 7 mm de diámetro, en el centro de la sección. Después se introdujeron secciones de duramadre en pocillos individuales de placas de cultivo de 6 pocillos que contenían 4 ml de DEMEM suplementado con un 10 % de suero bovino y 1 % de penicilina y estreptomicina. Posteriormente, se utilizaron armazones de nanofibras alineadas aleatoriamente y radialmente de 1 cm de diámetro para reparar los defectos artificiales mediante la superposición del injerto sobre la muestra dural. Se colocaron armazones de nanofibras sobre la duramadre, de tal forma que el injerto cubrió todo el defecto y al mismo tiempo se ponía en contacto con el tejido dural en la periferia de la muestra. Se mantuvieron los armazones de nanofibra en esta posición durante todo el experimento colocando un anillo de metal esterilizado sobre el armazón y la duramadre. Después de 4 días de cultivo, las células se tiñeron con FDA en un color verde y se obtuvieron imágenes con un microscopio de fluorescencia. Las imágenes de fluorescencia se tomaron usando una cámara QICAM Fast Cooled Mono de 12 bits (Q Imaging, Burnaby, Columbia Británica, Canadá) acoplada a un microscopio Olympus con OCapture 2.90.1 (Olympus, Tokio, Japón). De forma similar, se sembraron alrededor de 1 x 105 células de fibroblastos durales en la periferia de los armazones de nanofibras usando el sistema de cultivo hecho a medida mostrado en la Figura 15. Después de diferentes periodos de tiempo, las células se tiñeron con FDA en color verde y se obtuvieron imágenes con un microscopio de fluorescencia. A continuación, se calculó el área de superficie total del armazón de nanofibras desprovisto de células migratorias utilizando un software de Image J (National Institute of Health). Large continuous pieces of dura were placed in cold PBS and microsurgically cut into 1 cm x 1 cm sections. An artificial defect was then introduced into each section of the dura by microsurgically cutting a small circular hole, 7 mm in diameter, in the center of the section. Dura sections were then introduced into individual wells of 6-well culture plates containing 4 ml DEMEM supplemented with 10% bovine serum and 1% penicillin and streptomycin. Subsequently, radially and randomly aligned nanofiber scaffolds 1 cm in diameter were used to repair the artificial defects by overlaying the graft on the dural sample. Nanofiber scaffolds were placed over the dura mater, in such a way that the graft covered the entire defect and at the same time came into contact with the dural tissue at the periphery of the specimen. The nanofiber scaffolds were held in this position throughout the experiment by placing a sterile metal ring over the scaffold and dura. After 4 days of culture, the cells were stained with FDA in a green color and images were obtained with a fluorescence microscope. Fluorescence images were taken using a 12-bit QICAM Fast Cooled Mono camera (Q Imaging, Burnaby, British Columbia, Canada) coupled to an Olympus microscope with OCapture 2.90.1 (Olympus, Tokyo, Japan). Similarly, about 1 x 105 dural fibroblast cells were seeded on the periphery of the nanofiber scaffolds using the custom-made culture system shown in Figure 15. After different time periods, the cells were stained with FDA. in green color and images were obtained with a fluorescence microscope. The total surface area of the nanofiber scaffold devoid of migrating cells was then calculated using Image J software (National Institute of Health).

Las células vivas se marcaron con un colorante de membrana usando una solución de marcado de células VYBRANT DiO (Invitrogen), siguiendo las instrucciones del fabricante, y luego se tomaron imágenes en los días 1, 3, 7 y 10. Live cells were labeled with a membrane stain using VYBRANT DiO cell labeling solution (Invitrogen), following the manufacturer's instructions, and then imaged on days 1, 3, 7, and 10.

Se evaluó la producción de colágeno de tipo I por los fibroblastos durales en los armazones de fibras mediante inmunohistoquímica. El día 7, las células se enjuagaron con PBS y se fijaron con formalina al 3,7 % durante 1 h (N=4). Las células se permeabilizaron usando Triton X-100 al 0,1 % (Invitrogen) en PBS durante 20 minutos, seguido de bloqueo en PBS que contenía 5 % de suero de cabra normal (NGS) durante 30 min. Se obtuvieron anticuerpos monoclonales para colágeno de tipo I (dilución 1:20) de EMD Chemicals (Calbiochem, San Diego, California). Las células se lavaron tres veces con PBS que contenía un 2 % de FBS. Se aplicó el anticuerpo secundario Gt x Rb IgG Fluor (Chemicon, Temecula, California) (dilución 1:200) durante 1 hora a temperatura ambiente. Se tomaron las imágenes de fluorescencia usando una cámara QICAM Fast Cooled Mono de 12 bits (Q Imaging, Burnaby, Columbia Británica, Canadá) acoplada a un microscopio Olympus con OCapture 2.90.1 (Olympus, Tokio, Japón).Type I collagen production by dural fibroblasts in fiber scaffolds was evaluated by immunohistochemistry. On day 7, cells were rinsed with PBS and fixed with 3.7% formalin for 1 hr (N = 4). Cells were permeabilized using 0.1% Triton X-100 (Invitrogen) in PBS for 20 min, followed by blocking in PBS containing 5% normal goat serum (NGS) for 30 min. Monoclonal antibodies to type I collagen (1:20 dilution) were obtained from EMD Chemicals (Calbiochem, San Diego, California). Cells were washed three times with PBS containing 2% FBS. Secondary antibody Gt x Rb IgG Fluor (Chemicon, Temecula, California) (1: 200 dilution) was applied for 1 hour at room temperature. Fluorescence images were taken using a 12-bit QICAM Fast Cooled Mono camera (Q Imaging, Burnaby, British Columbia, Canada) coupled to an Olympus microscope with OCapture 2.90.1 (Olympus, Tokyo, Japan).

Se obtuvieron los valores medios y la desviación estándar. Se llevaron a cabo análisis comparativos utilizando la prueba post hoc de Tukey mediante análisis de varianza a un nivel de confianza del 95 %.Mean values and standard deviation were obtained. Comparative analyzes were carried out using Tukey's post hoc test by analysis of variance at a 95% confidence level.

Como estudio secundario, se desarrolló un modelo ex vivo de la reparación quirúrgica de un pequeño defecto dural. Se colocaron piezas de gran tamaño de duramadre sana (3 cm x 3 cm) en un medio modificado por Dulbecco de Eagle (DMEM) frío y suplementado y se cortó microquirúrgicamente en trozos más pequeños (1 cm x 1 cm). Se introdujeron defectos artificiales en las piezas de duramadre mediante el corte microquirúrgico de pequeños orificios circulares, de 6-8 mm de diámetro, en el centro de las muestras. A continuación, se utilizaron los armazones de nanofibras alineadas radialmente, los armazones de nanofibras orientadas aleatoriamente y los armazones de colágeno DURA MATRIX (1 cm x 1 cm) para reparar los defectos artificiales superponiendo el injerto a la muestra dural, de tal manera que el injerto cubriera todo el defecto, a la vez que entraba en contacto con el tejido dural en la periferia de la muestra. As a secondary study, an ex vivo model of the surgical repair of a small dural defect was developed. Large pieces of healthy dura (3 cm x 3 cm) were placed in cold supplemented Dulbecco's Modified Medium (DMEM) and cut into smaller pieces (1 cm x 1 cm) microsurgically. Artificial defects were introduced into the dura pieces by microsurgically cutting small circular holes, 6-8 mm in diameter, in the center of the specimens. The radially aligned nanofiber scaffolds, randomly oriented nanofiber scaffolds, and DURA MATRIX collagen scaffolds (1 cm x 1 cm) were then used to repair the artificial defects by overlaying the graft on the dural sample, such that the graft covered the entire defect, while coming into contact with the dural tissue in the periphery of the sample.

Los conjuntos de sustituto dural/dural se cultivaron in vitro en DMEM suplementado durante un período de cuatro días. En el punto final de este periodo, se utilizó microscopía óptica y de fluorescencia para evaluar la capacidad regenerativa del sustituto, definida como la capacidad de las células durales para migrar al sustituto artificial y repoblar la región acelular del sustituto dural dentro del defecto artificial.The dural / dural substitute pools were cultured in vitro in supplemented DMEM for a period of four days. At the end point of this period, light and fluorescence microscopy was used to assess the ability Regenerative surrogate, defined as the ability of the dural cells to migrate to the artificial surrogate and repopulate the acellular region of the dural surrogate within the artificial defect.

Los resultados demostraron que las células nativas presentes en la duramadre intacta (principalmente fibroblastos durales) migraron fácilmente a los sustitutos durales de nanofibras poliméricas adyacentes en altas concentraciones en un periodo de 24 a 48 horas después de entrar en contacto con fragmentos de duramadre explantados. La migración de células durales a matrices de colágeno de referencia se produjo en un periodo similar, aunque se observaron concentraciones de células durales ligeramente más bajas que migraron a matrices de colágeno si las comparamos con los sustitutos durales de nanofibras. Esta observación indica que los sustitutos durales de nanofibras se adhieren fácilmente al tejido dural nativo, una cualidad importante por lo que respecta a la manipulación y/o colocación intraoperatoria del material, y que los sustitutos durales de nanofibras proporcionan un sustrato ideal para la adhesión de fibroblastos durales.The results demonstrated that native cells present in intact dura (mainly dural fibroblasts) readily migrated to adjacent polymeric nanofiber dural substitutes in high concentrations within 24 to 48 hours after coming into contact with explanted dura fragments. Migration of dural cells to reference collagen matrices occurred in a similar period, although slightly lower concentrations of dural cells migrating to collagen matrices were observed when compared to nanofiber dural substitutes. This observation indicates that nanofiber dural substitutes readily adhere to native dural tissue, an important quality with regard to intraoperative material handling and / or placement, and that nanofiber dural substitutes provide an ideal substrate for adhesion of dural fibroblasts.

El examen adicional de los diversos sustitutos durales después de cuatro días de cultivo reveló que la migración dural de fibroblastos a la región acelular central del material procedió de una forma significativamente más rápida en sustitutos de nanofibras alineadas radialmente que en sustitutos de nanofibras orientadas aleatoriamente o matrices de colágeno. Este descubrimiento quedó en evidencia por el hecho de que después de cuatro días de cultivo, una región acelular prominente (“espacio vacío”) permanecía en las muestras tanto del sustituto de nanofibras aleatorias como de la matriz de colágeno.Further examination of the various dural substitutes after four days of culture revealed that dural migration of fibroblasts to the central acellular region of the material proceeded significantly more rapidly in radially aligned nanofiber substitutes than in randomly oriented nanofiber substitutes or matrices. collagen. This discovery was evidenced by the fact that after four days of culture, a prominent acellular region ("empty space") remained in the samples of both the random nanofiber surrogate and the collagen matrix.

En cambio, las muestras de materiales de nanofibras alineadas radialmente, examinadas en el mismo punto temporal, habían sido pobladas por completo con células durales que habían migrado desde los bordes del tejido dural adyacente. En efecto, los sustitutos de nanofibras alineadas radialmente fueron capaces de provocar una “curación” significativamente más rápida de este defecto dural simulado que ambos materiales orientados aleatoriamente. Las vistas de gran aumento de los sustitutos durales dentro de este cultivo ex vivo demostraron además la capacidad de los materiales de nanofibras alineadas radialmente para alinear y dirigir las células durales migratorias nativas, un resultado similar al del estudio previo llevado a cabo utilizando fibroblastos durales presembrados. Específicamente, se observó que las células durales se alinean y extienden paralelas a las nanofibras individuales dentro del sustrato artificial, y también depositan proteínas de matriz extracelular organizadas (concretamente colágeno de tipo I) en los materiales de nanofibras alineadas. Esta observación indica que las indicaciones topográficas presentadas por sustitutos de nanofibras alineadas son capaces de organizar y dirigir células durales nativas que migran desde la duramadre intacta y pueden mejorar la capacidad de estas células migratorias para depositar las proteínas de matriz extracelular necesarias para curar y reparar los defectos durales.Instead, the radially aligned nanofiber material samples, examined at the same time point, had been completely populated with dural cells that had migrated from the edges of the adjacent dural tissue. Indeed, the radially aligned nanofiber substitutes were able to cause significantly faster "healing" of this simulated dural defect than both randomly oriented materials. High-magnification views of the dural substitutes within this ex vivo culture further demonstrated the ability of radially aligned nanofiber materials to align and direct native migratory dural cells, a similar result to the previous study conducted using pre-seeded dural fibroblasts. . Specifically, it was observed that the dural cells align and extend parallel to the individual nanofibers within the artificial substrate, and also deposit organized extracellular matrix proteins (specifically type I collagen) on the aligned nanofiber materials. This observation indicates that topographic indications presented by aligned nanofiber substitutes are capable of organizing and directing native dural cells that migrate from intact dura and may enhance the ability of these migratory cells to deposit extracellular matrix proteins necessary to heal and repair the cells. dural defects.

Los resultados de este estudio secundario demuestran que los sustitutos durales de nanofibras no solo proporcionan un armazón favorable para la adhesión y migración de células durales, sino que fomentan fácilmente el crecimiento hacia el interior de las células durales a partir de la duramadre intacta completa. La capacidad de los materiales de nanofibras para interconectar íntimamente con la duramadre intacta y facilitar la población celular rápida del armazón polimérico indica claramente que este material puede funcionar excepcionalmente bien como un injerto artificial en la reparación quirúrgica de defectos durales complejos. Además, se demostró que los sustitutos durales construidos a partir de nanofibras alineadas radialmente promueven una “curación” más rápida de los defectos durales simulados que los materiales orientados aleatoriamente, lo que indica que los armazones de nanofibras alineadas que imparten características topográficas a nanoescala pueden representar un avance tecnológico significativo con respecto a las matrices clínicas de colágeno de referencia.The results of this secondary study demonstrate that nanofiber dural substitutes not only provide a favorable scaffold for dural cell adhesion and migration, but easily promote dural cell inward growth from the entire intact dura. The ability of nanofiber materials to intimately interconnect with the intact dura and facilitate rapid cell population of the polymeric scaffold clearly indicates that this material can function exceptionally well as an artificial graft in the surgical repair of complex dural defects. Additionally, dural substitutes constructed from radially aligned nanofibers were shown to promote faster "healing" of simulated dural defects than randomly oriented materials, indicating that aligned nanofiber scaffolds that impart nanoscale topographic features may represent a significant technological advance over benchmark clinical collagen matrices.

Aunque los experimentos descritos en la presente tuvieron una duración limitada, los resultados de estos experimentos indican que los parches biomédicos que incluyen fibras alineadas radialmente son viables para su uso en la reparación de tejidos en periodos de tiempo más largos. Por ejemplo, se prevé que el crecimiento celular acelerado observado continuaría hasta que el tejido biológico en el sitio de un defecto se regenerase completamente y/o hasta que se completase la degradación del parche biomédico.Although the experiments described herein were of limited duration, the results of these experiments indicate that biomedical patches that include radially aligned fibers are viable for use in tissue repair over longer periods of time. For example, it is anticipated that the accelerated cell growth observed would continue until biological tissue at the site of a defect is fully regenerated and / or until degradation of the biomedical patch is complete.

Resultados experimentales in vivo In vivo experimental results

Se llevó a cabo la experimentación in vivo mediante la imposición de un defecto dural de 12 milímetros de diámetro en una duramadre porcina nativa. El defecto se reparó con un sustituto dural de colágeno, un sustituto dural de una sola capa con nanofibras orientadas aleatoriamente y un sustituto dural de dos capas con una capa de nanofibras alineadas radialmente fusionada con una segunda capa de nanofibras orientadas aleatoriamente mediante un apilamiento de capa por capa (por ejemplo, como se ha descrito anteriormente con referencia a la Figura 8). En un grupo de control, el defecto no se reparó. In vivo experimentation was carried out by imposing a 12 millimeter diameter dural defect in a native porcine dura. The defect was repaired with a collagen dural substitute, a single-layer dural substitute with randomly oriented nanofibers, and a two-layer dural substitute with a radially aligned nanofiber layer fused with a second layer of randomly oriented nanofibers by layer stacking. per layer (eg, as described above with reference to Figure 8). In a control group, the defect was not repaired.

La Figura 22 es un gráfico 2200 en el que se ilustra el grosor de la duramadre regenerada en el centro de defectos durales reparados a lo largo del tiempo. En el gráfico 2200, el eje “y” 2205 representa el grosor total de la duramadre regenerada, incluidos tanto el tejido regenerativo como el material sustituto dural integrado, en el centro de un defecto dural. Las muestras sin sustituto dural (muestras de control) o con un sustituto dural de colágeno, un sustituto dural de nanofibras orientadas aleatoriamente de una sola capa y un sustituto dural de nanofibras alineadas radialmente de dos capas son agrupadas por tiempo transcurrido en el eje “x” 2210. Figure 22 is a graph 2200 illustrating the thickness of the regenerated dura at the center of repaired dural defects over time. In graph 2200, the "y" axis 2205 represents the total thickness of the regenerated dura, including both regenerative tissue and integrated dural substitute material, at the center of a dural defect. Samples without a dural substitute (control samples) or with a collagen dural substitute, a single-layer randomly oriented nanofiber dural substitute, and a two-layer radially aligned nanofiber dural substitute are grouped by elapsed time on the x-axis. ”2210.

La Figura 23 es un gráfico 2300 en el que se ilustra el contenido de tejido colagenoso regenerativo a lo largo del tiempo. En el gráfico 2300, el eje “y” 2305 representa el porcentaje de duramadre regenerada que se compone de tejido colagenoso regenerativo. Las muestras con un sustituto dural de colágeno, un sustituto dural de nanofibras orientadas aleatoriamente de una sola capa y un sustituto dural de nanofibras alineadas radialmente de dos capas son agrupadas por tiempo transcurrido en un eje “x” 2310.Figure 23 is a graph 2300 illustrating the content of regenerative collagenous tissue over time. In graph 2300, the "y" axis 2305 represents the percentage of regenerated dura that is composed of regenerative collagenous tissue. Samples with a collagen dural substitute, a single-layer randomly oriented nanofiber dural substitute, and a two-layer radially aligned nanofiber dural substitute are grouped by elapsed time on an "x" axis 2310.

Matrices de electrodosElectrode Arrays

En algunas realizaciones, un colector incluye una pluralidad de electrodos que circunscriben al menos parcialmente un área y un segundo electrodo situado dentro de esa área. Los electrodos pueden configurarse en una matriz, como por ejemplo una rejilla y/u otro patrón poligonal, y un polímero depositado sobre los electrodos puede formar fibras que se extienden entre los electrodos del colector, de tal manera que las fibras definen los lados de una pluralidad de polígonos, con los electrodos situados en los vértices de los polígonos. En algunas realizaciones, se puede usar la estructura creada por dichas fibras para crear una micromatriz celular, por ejemplo, sembrando la estructura con células e incubando las células para promover la propagación de las células por toda la estructura.In some embodiments, a collector includes a plurality of electrodes that at least partially circumscribe an area and a second electrode located within that area. The electrodes can be configured in a matrix, such as a grid and / or other polygonal pattern, and a polymer deposited on the electrodes can form fibers that run between the collector electrodes, such that the fibers define the sides of a plurality of polygons, with the electrodes located at the vertices of the polygons. In some embodiments, the structure created by said fibers can be used to create a cellular microarray, for example, by seeding the structure with cells and incubating the cells to promote the propagation of the cells throughout the structure.

Las micromatrices celulares pueden proporcionar poderosas herramientas experimentales para una preselección de elevado rendimiento, útiles en una serie de aplicaciones que van desde el descubrimiento de fármacos y la toxicología hasta la investigación de células madre y la ingeniería de tejidos. Por ejemplo, las micromatrices celulares pueden representar un medio eficaz de fabricar redes neuronales ordenadas útiles para estudiar la formación de sinapsis y la plasticidad neuronal in vitro. Al menos algunas técnicas conocidas para la fabricación de micromatrices neuronales se han concentrado en el uso de patrones espaciales de materiales y agentes adhesivos a células y/o repelentes de células. Desgraciadamente, dichas técnicas de fabricación pueden requerir mucho tiempo y ser costosas, e implican el uso de instrumentos sofisticados (por ejemplo, la fotolitografía, la litografía blanda, la impresión por contacto, la técnica de microfluidos, la nanoimpresión y la impresión por inyección de tinta).Cell microarrays can provide powerful experimental tools for high throughput screening, useful in a number of applications ranging from drug discovery and toxicology to stem cell research and tissue engineering. For example, cell microarrays may represent an effective means of fabricating ordered neural networks useful for studying synapse formation and neuronal plasticity in vitro. At least some known techniques for the fabrication of neuronal microarrays have concentrated on the use of spatial patterns of cell-adhesive and / or cell-repellent materials and agents. Unfortunately, such manufacturing techniques can be time-consuming and expensive, and involve the use of sophisticated instruments (for example, photolithography, soft lithography, contact printing, microfluidic technique, nano printing, and inkjet printing. ink).

El electrohilado es capaz de producir fibras unidimensionales con diámetros que van desde varios nanómetros hasta varias micras. La elevada relación superficie-volumen y la morfología a nanoescala de las nanofibras electrohiladas pueden indicar que estos materiales imitan efectivamente la arquitectura de la matriz extracelular (MEC). Como resultado, se han utilizado los materiales de nanofibras electrohiladas en una amplia variedad de aplicaciones biomédicas. Las nanofibras electrohiladas pueden depositarse en un colector conductor de forma aleatoria y/o alinearse en matrices uniaxiales mediante la manipulación de un campo eléctrico y/o la aplicación de fuerzas mecánicas.Electrospinning is capable of producing one-dimensional fibers with diameters ranging from several nanometers to several microns. The high surface-to-volume ratio and nanoscale morphology of electrospun nanofibers may indicate that these materials effectively mimic the architecture of the extracellular matrix (ECM). As a result, electrospun nanofiber materials have been used in a wide variety of biomedical applications. Electrospun nanofibers can be randomly deposited on a conductive collector and / or aligned in uniaxial arrays by manipulating an electric field and / or applying mechanical forces.

Las realizaciones descritas en la presente facilitan la producción de una micromatriz celular compleja usando nanofibras electrohiladas. En ejemplos de realizaciones se usa un colector con una matriz de electrodos para fabricar armazones de nanofibras electrohiladas que incluyen una arquitectura ordenada compleja y numerosos pocillos múltiples. Dicho armazón puede resultar útil al menos para: (i) la formación de micromatrices celulares; y (ii) la formación de redes neuronales. El uso de matrices de nanofibras complejas presentadas puede facilitar la creación de sustratos avanzados útiles en aplicaciones de ingeniería neuronal y matrices celulares útiles en aplicaciones de biodetección y preselección de fármacos.The embodiments described herein facilitate the production of a complex cell microarray using electrospun nanofibers. In exemplary embodiments, a collector with an electrode array is used to fabricate electrospun nanofiber scaffolds that include a complex array architecture and numerous multiple wells. Said scaffold may be useful at least for: (i) the formation of cell microarrays; and (ii) the formation of neural networks. The use of presented complex nanofiber arrays can facilitate the creation of advanced substrates useful in neural engineering applications and cell arrays useful in drug pre-screening and biosensing applications.

La Figura 24 es un diagrama en el que se ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de sistema de electrohilado 2400 para producir una estructura de fibras alineadas poligonalmente utilizando una matriz de electrodos. El sistema 2400 es similar al sistema 100 (mostrado en la Figura 1) por lo que respecta a estructura y funcionamiento. Un colector 2405 incluye una pluralidad de primeros electrodos 2410, los cuales pueden denominarse electrodos periféricos. Los primeros electrodos 2410 definen y/o al menos circunscriben parcialmente un área 2415, como por ejemplo un polígono. Como se ilustra en la Figura 24, el área 2415 definida por los primeros electrodos 2410 es un hexágono. Un segundo electrodo 2420, que puede denominarse electrodo interno, está situado dentro (por ejemplo, aproximadamente en el centro) del área 2415, de modo que los primeros electrodos 2410 rodean al segundo electrodo 2420. En realizaciones de ejemplo, los primeros electrodos 2410 y los segundos electrodos son esferas metálicas (por ejemplo, de acero inoxidable) que tienen un diámetro entre 0,5 mm y 5,0 mm (por ejemplo, 1,0 mm o 2,0 mm). Figure 24 is a diagram illustrating a perspective view of an example electrospinning system 2400 for producing a polygonally aligned fiber structure using an electrode array. System 2400 is similar to System 100 (shown in Figure 1) in structure and operation. A collector 2405 includes a plurality of first electrodes 2410, which may be referred to as peripheral electrodes. The first electrodes 2410 define and / or at least partially circumscribe an area 2415, such as a polygon. As illustrated in Figure 24, the area 2415 defined by the first electrodes 2410 is a hexagon. A second electrode 2420, which may be referred to as an internal electrode, is located within (eg, approximately in the center) of area 2415, such that the first electrodes 2410 surround the second electrode 2420. In example embodiments, the first electrodes 2410 and the second electrodes are metallic spheres (eg stainless steel) having a diameter between 0.5mm and 5.0mm (eg 1.0mm or 2.0mm).

El sistema 2400 también incluye una hilera 120 y está configurado para crear un potencial eléctrico entre el colector 2405 y la hilera 120, como se ha descrito anteriormente con referencia a la Figura 1. En ejemplos de realizaciones, los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 están acoplados eléctricamente a una fuente de alimentación 130 a través de un conductor 135, y la hilera 120 está acoplada a la fuente de alimentación 130 a través de un conductor 145. La fuente de alimentación 130 está configurada para cargar los electrodos periféricos 2410 con una primera amplitud y/o polaridad a través del conductor 135, y para cargar la hilera 120 con una segunda amplitud y/o polaridad, opuesta a la primera polaridad, a través del conductor 145.The 2400 system also includes a row 120 and is configured to create an electrical potential between the collector 2405 and the row 120, as previously described with reference to Figure 1. In exemplary embodiments, the peripheral electrodes 2410 and the inner electrode 2420 are electrically coupled to a power source 130 through conductor 135, and row 120 is coupled to power source 130 through conductor 145. Power source 130 is configured to charge peripheral electrodes 2410 with a first amplitude and / or polarity through lead 135, and to charge row 120 with a second amplitude and / or polarity, opposite the first polarity, through lead 145.

En la realización ilustrada en la Figura 24, los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 son esferas o bolas metálicas (por ejemplo, de acero inoxidable), que pueden denominarse “microesferas”, configuradas en un patrón hexagonal. En algunas realizaciones, el área cerrada circular 125 puede tener un diámetro de entre 1 cm y 20 cm. En otras realizaciones, los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 pueden ser de cualquier forma y/o pueden estar configurados en cualquier patrón apropiado para su uso con los métodos descritos en la presente. Por ejemplo, los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 pueden ser ejes, varillas, bóvedas y/o rebordes. Además, los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 pueden estar configurados en un patrón octagonal, pentagonal y/o cuadrado, por ejemplo, aunque también se prevén otras configuraciones poligonales y no poligonales, regulares y/o irregulares.In the embodiment illustrated in Figure 24, peripheral electrodes 2410 and inner electrode 2420 are metallic spheres or balls (eg, stainless steel), which may be referred to as "microspheres", configured in a hexagonal pattern. In some embodiments, the circular closed area 125 may have a diameter of between 1 cm and 20 cm. In other embodiments, the peripheral electrodes 2410 and the inner electrode 2420 can be of any shape and / or may be configured in any appropriate pattern for use with the methods described herein. For example, peripheral electrodes 2410 and inner electrode 2420 can be shafts, rods, domes, and / or ridges. Additionally, peripheral electrodes 2410 and inner electrode 2420 may be configured in an octagonal, pentagonal, and / or square pattern, for example, although other polygonal and non-polygonal, regular and / or irregular configurations are also envisioned.

En una realización, el área 2415 define un plano horizontal 2425. La hilera 120 está alineada con el electrodo interno 2420 y está desplazada verticalmente con respecto al plano horizontal 2425 a una distancia variable. Por ejemplo, la hilera 120 puede estar desplazada verticalmente con respecto al plano horizontal 2425 a una distancia de 1 cm a 100 cm. En ejemplos de realizaciones, el electrodo interno 2420 y/o los electrodos periféricos 2410 incluyen una superficie redondeada (por ejemplo, convexa), como por ejemplo la superficie de las esferas metálicas mostradas en la Figura 24, orientada hacia el plano horizontal 2425.In one embodiment, area 2415 defines a horizontal plane 2425. Row 120 is aligned with inner electrode 2420 and is offset vertically from horizontal plane 2425 by a variable distance. For example, row 120 may be vertically offset from horizontal plane 2425 by a distance of 1 cm to 100 cm. In exemplary embodiments, the inner electrode 2420 and / or peripheral electrodes 2410 include a rounded (eg, convex) surface, such as the surface of the metal spheres shown in Figure 24, oriented toward the horizontal plane 2425.

Como se ha descrito anteriormente con respecto a la Figura 1, la hilera 120 está configurada para dispensar un polímero 140 mientras que dicha hilera 120 está cargada eléctricamente con la segunda amplitud y/o polaridad, y los electrodos periféricos 2410 y el electrodo interno 2420 están cargados eléctricamente con la primera amplitud y/o polaridad. La hilera 120 dispensa el polímero 140 como un flujo 160. El flujo 160 tiene un diámetro aproximadamente igual al diámetro de la abertura de la hilera 120. El flujo 160 desciende hacia el colector 2405. Por ejemplo, el flujo 160 puede caer hacia abajo bajo la influencia de la gravedad y/o puede ser atraído hacia abajo por una superficie conductora cargada 162 situada debajo del colector 2405. Por ejemplo, la superficie conductora 162 puede estar acoplada eléctricamente al conductor 135 y cargada con la misma amplitud y/o polaridad que los electrodos periféricos 2410 y el electrodo central 2420. A medida que desciende el flujo 160 y se deposita en el colector 2405, el polímero 140 forma una o varias fibras poliméricas sólidas 2430 que se extienden desde el electrodo interno 2420 a un electrodo periférico 2410 y/o entre los electrodos periféricos 2410.As previously described with respect to Figure 1, spinneret 120 is configured to dispense polymer 140 while spinneret 120 is electrically charged with the second amplitude and / or polarity, and peripheral electrodes 2410 and inner electrode 2420 are electrically charged with the first amplitude and / or polarity. Row 120 dispenses polymer 140 as stream 160. Stream 160 has a diameter approximately equal to the diameter of the opening of row 120. Stream 160 descends toward manifold 2405. For example, stream 160 may drop down low influence of gravity and / or may be drawn downward by a charged conductive surface 162 located below collector 2405. For example, conductive surface 162 may be electrically coupled to conductor 135 and charged with the same amplitude and / or polarity as peripheral electrodes 2410 and center electrode 2420. As flow 160 descends and is deposited in collector 2405, polymer 140 forms one or more solid polymeric fibers 2430 that extend from inner electrode 2420 to peripheral electrode 2410 and / or between peripheral electrodes 2410.

En algunas realizaciones, el colector 2405 incluye electrodos periféricos 2410 que definen una pluralidad de áreas 2415. Por ejemplo, los electrodos periféricos 2410 que rodean inmediatamente al electrodo interno 2420 pueden considerarse electrodos periféricos internos, y una pluralidad de electrodos periféricos externos 2435 puede rodear a los electrodos periféricos internos 2410, de manera que los electrodos periféricos internos 2410 están anidados dentro de los electrodos periféricos externos 2435. El colector 2405 puede incluir cualquier cantidad de conjuntos anidados de electrodos periféricos. Aunque el colector 2405 incluye electrodos en una configuración compacta (por ejemplo, con electrodos que están en contacto entre sí), se prevé que los electrodos puedan estar separados entre sí por una distancia entre electrodos, que puede ser constante en todo el colector o puede variar entre diferentes pares de electrodos.In some embodiments, collector 2405 includes peripheral electrodes 2410 that define a plurality of areas 2415. For example, peripheral electrodes 2410 immediately surrounding inner electrode 2420 can be considered inner peripheral electrodes, and a plurality of outer peripheral electrodes 2435 can surround the inner peripheral electrodes 2410, such that the inner peripheral electrodes 2410 are nested within the outer peripheral electrodes 2435. The collector 2405 may include any number of nested sets of peripheral electrodes. Although the collector 2405 includes electrodes in a compact configuration (for example, with electrodes that are in contact with each other), it is envisaged that the electrodes may be separated from each other by an electrode distance, which may be constant throughout the collector or may vary between different pairs of electrodes.

Además, en algunas realizaciones, un colector puede incluir electrodos que definen una pluralidad de áreas parcialmente superpuestas de una manera modular. La Figura 25 es un diagrama en el que se ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de colector de electrohilado modular 2500. El colector 2500 incluye primeros electrodos 2505 que rodean a un segundo electrodo 2510. Los primeros electrodos 2505 definen una primera área hexagonal 2515. Con respecto a la primera área hexagonal 2515, el segundo electrodo 2510 puede ser considerado un electrodo interno, y los primeros electrodos 2505 pueden ser considerados electrodos periféricos.Furthermore, in some embodiments, a collector may include electrodes that define a plurality of partially overlapping areas in a modular manner. Figure 25 is a diagram illustrating a perspective view of an example modular electrospun collector 2500. Collector 2500 includes first electrodes 2505 surrounding a second electrode 2510. First electrodes 2505 define a first hexagonal area 2515 With respect to the first hexagonal area 2515, the second electrode 2510 can be considered an internal electrode, and the first electrodes 2505 can be considered peripheral electrodes.

El colector 2500 también incluye una pluralidad de terceros electrodos 2520 que están situados fuera de la primera área hexagonal 2515. Los terceros electrodos 2520, el segundo electrodo 2510 y un subconjunto de primeros electrodos 2505 definen una segunda área hexagonal 2525 que se superpone parcialmente a la primera área hexagonal 2515. Uno de los primeros electrodos 2505 (por ejemplo, un electrodo periférico con respecto a la primera área hexagonal 2515) está situado dentro de la segunda área hexagonal 2525. Por lo que respecta a la segunda área hexagonal 2525, este primer electrodo 2505 puede ser considerado un electrodo interno. Los terceros electrodos 2520, el subconjunto de los primeros electrodos 2505 y el segundo electrodo 2510 pueden ser considerados electrodos periféricos. Aunque los electrodos que definen dos áreas parcialmente superpuestas se ilustran en la Figura 25, se prevé que la naturaleza modular del colector 2500 facilita la inclusión de cualquier cantidad de electrodos que definan cualquier cantidad de áreas, de tal manera que el colector 2500 pueda extenderse en una o varias direcciones mediante la adición de electrodos al perímetro del colector 2500.The collector 2500 also includes a plurality of third electrodes 2520 that are located outside of the first hexagonal area 2515. The third electrodes 2520, second electrode 2510, and a subset of first electrodes 2505 define a second hexagonal area 2525 that partially overlaps the first hexagonal area 2515. One of the first electrodes 2505 (for example, a peripheral electrode with respect to the first hexagonal area 2515) is located within the second hexagonal area 2525. With respect to the second hexagonal area 2525, this first electrode 2505 can be considered an internal electrode. The third electrodes 2520, the subset of the first electrodes 2505, and the second electrode 2510 can be considered peripheral electrodes. Although the electrodes defining two partially overlapping areas are illustrated in Figure 25, it is envisaged that the modular nature of collector 2500 facilitates the inclusion of any number of electrodes defining any number of areas, such that collector 2500 can be extended in one or more directions by adding electrodes to the perimeter of the collector 2500.

Como se ha descrito anteriormente con referencia al sistema 2400 (mostrado en la Figura 24), el colector 2500 (por ejemplo, los primeros electrodos 2505, el segundo electrodo 2510 y los terceros electrodos 2520) está configurado para estar cargado eléctricamente con una amplitud y/o polaridad opuesta a la amplitud y/o polaridad con la que la hilera 120 está cargada eléctricamente. Cuando estos componentes están así cargados, un polímero dispensado por la hilera 120 puede formar fibras que se extienden entre los electrodos (por ejemplo, los primeros electrodos 2505, el segundo electrodo 2510 y/o los terceros electrodos 2520) del colector 2500.As previously described with reference to system 2400 (shown in Figure 24), collector 2500 (eg, first electrodes 2505, second electrode 2510, and third electrodes 2520) is configured to be electrically charged with an amplitude and / or polarity opposite to the amplitude and / or polarity with which the row 120 is electrically charged. When these components are thus charged, a polymer dispensed from spinneret 120 can form fibers that extend between electrodes (eg, first electrodes 2505, second electrode 2510, and / or third electrodes 2520) of collector 2500.

La Figura 26 es un diagrama 2600 en el que se ilustra un campo eléctrico generado por un sistema de electrohilado como el sistema de electrohilado 2400 (que se muestra en la Figura 24). El diagrama 2600 muestra una vista bidimensional en sección transversal de vectores de intensidad de campo eléctrico entre una hilera 120 y una pluralidad de electrodos 2605. Figure 26 is a 2600 diagram illustrating an electric field generated by an electrospinning system such as the 2400 electrospinning system (shown in Figure 24). Diagram 2600 shows a two-dimensional cross-sectional view of electric field intensity vectors between a row 120 and a plurality of electrodes 2605.

Los vectores de campo eléctrico cerca de la superficie de los electrodos 2605 están orientados perpendicularmente a la superficie de los electrodos 2605. Los vectores de campo eléctrico entre dos electrodos vecinos se dividen en dos flujos principales, apuntando hacia los centros de los dos electrodos adyacentes 2605. Por consiguiente, se pueden distribuir aleatoriamente las fibras depositadas sobre la superficie de los electrodos 2605, mientras que las fibras depositadas en el área entre dos electrodos vecinos 2605 pueden alinearse uniaxialmente entre estos dos electrodos adyacentes 2605.The electric field vectors near the surface of the electrodes 2605 are oriented perpendicular to the surface of the electrodes 2605. The electric field vectors between two neighboring electrodes are divided into two main flows, pointing toward the centers of the two adjacent electrodes 2605 Accordingly, the fibers deposited on the surface of the electrodes 2605 can be randomly distributed, while the fibers deposited in the area between two neighboring electrodes 2605 can be uniaxially aligned between these two adjacent electrodes 2605.

Las Figuras 27A-27F son imágenes de microscopía de una membrana de nanofibras 2705 producida utilizando un colector con una matriz de electrodos, como por ejemplo el colector 2405 (mostrado en la Figura 24). Por ejemplo, se puede producir la membrana 2705 usando una matriz de esferas de acero inoxidable. La Figura 27A es una imagen de microscopía óptica de una membrana 2705. La Figura 27A incluye un recuadro interior 2710 que ilustra una ampliación de la membrana 2705 con una fuente de luz en el lado derecho de la imagen. Las sombras del recuadro 2710 indican pocillos dentro de la membrana 2705, cuyas posiciones corresponden a las posiciones de los electrodos en el colector.Figures 27A-27F are microscopy images of a 2705 nanofiber membrane produced using a collector with an electrode array, such as collector 2405 (shown in Figure 24). For example, membrane 2705 can be produced using a matrix of stainless steel spheres. Figure 27A is a light microscopy image of a membrane 2705. Figure 27A includes an inset 2710 illustrating a magnification of the membrane 2705 with a light source on the right side of the image. The shadows in box 2710 indicate wells within membrane 2705, the positions of which correspond to the positions of the electrodes on the collector.

La Figura 27B es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la membrana 2705 en la que se ilustra la compleja arquitectura ordenada compuesta de pocillos dispuestos hexagonalmente 2715 conectados con matrices de fibras alineadas uniaxialmente 2720. La profundidad de los pocillos formados al depositar nanofibras electrohiladas sobre microesferas de acero inoxidable compactas de 1,0 mm y 2,0 mm de diámetro era de aproximadamente 200 micrómetros (pm) y 400 pm, respectivamente. Dichos pocillos se pueden denominar “micropocillos”.Figure 27B is a scanning electron microscopy (SEM) image of membrane 2705 illustrating the complex ordered architecture composed of hexagonally arranged wells 2715 connected with uniaxially aligned fiber arrays 2720. The depth of wells formed by depositing electrospun nanofibers on 1.0 mm and 2.0 mm diameter compact stainless steel microspheres were approximately 200 microns (pm) and 400 pm, respectively. Such wells can be referred to as "microwells".

Las Figuras 27C-27F son ampliaciones de áreas correspondientes dentro de la Figura 27B. La Figura 27C indica que las fibras depositadas sobre la superficie de los electrodos de microesferas se distribuyeron aleatoriamente. La Figura 27D muestra que las fibras en la interfaz entre la superficie de un electrodo y un espacio entre electrodos pasaron de una orientación aleatoria a una orientación alineada. La Figura 27E indica que las fibras depositadas a lo largo del eje que conecta los centros de dos electrodos adyacentes se alinearon uniaxialmente de forma paralela a ese eje. La Figura 27F muestra que la densidad de fibras era significativamente menor entre esferas vecinas y lejos de los ejes que conectaban los centros de esferas adyacentes que en otras áreas (por ejemplo, las mostradas en las Figuras 27c -27E), y que las fibras depositadas en esta área estaban orientadas aleatoriamente.Figures 27C-27F are enlargements of corresponding areas within Figure 27B. Figure 27C indicates that the fibers deposited on the surface of the microsphere electrodes were randomly distributed. Figure 27D shows that the fibers at the interface between an electrode surface and an electrode gap transitioned from a random orientation to an aligned orientation. Figure 27E indicates that the fibers deposited along the axis connecting the centers of two adjacent electrodes were uniaxially aligned parallel to that axis. Figure 27F shows that the fiber density was significantly lower between neighboring spheres and away from the axes connecting the centers of adjacent spheres than in other areas (for example, those shown in Figures 27c -27E), and that the deposited fibers in this area they were randomly oriented.

En algunas realizaciones, se puede combinar una membrana de fibras, como por ejemplo la membrana 2705, con otras membranas. Por ejemplo, se puede usar una membrana con una pluralidad de pocillos interconectados por fibras alineadas uniaxialmente como una capa dentro de una estructura de capas múltiples, como se describió anteriormente con referencia a la Figura 8. Adicional o alternativamente, se pueden combinar diferentes tipos de colectores, por ejemplo, utilizando un colector de matriz de electrodos como un colector interno (por ejemplo, correspondiente a un centro de un parche biomédico), y utilizando un colector de tipo anillo (por ejemplo, como se muestra en la Figura 1) como un colector externo que rodea el colector interno.In some embodiments, a fiber membrane, such as membrane 2705, can be combined with other membranes. For example, a membrane with a plurality of wells interconnected by uniaxially aligned fibers can be used as a layer within a multi-layer structure, as described above with reference to Figure 8. Additionally or alternatively, different types of collectors, for example, using an electrode array collector as an internal collector (for example, corresponding to a center of a biomedical patch), and using a ring-type collector (for example, as shown in Figure 1) as an outer manifold that surrounds the inner manifold.

Resultados experimentalesExperimental results

Se evaluaron las membranas de fibras o “armazones” producidos por un colector de matriz de electrodos, tal y como se ha descrito anteriormente, para su uso como sustratos con el fin de generar micromatrices celulares. Se sembraron células selectivamente en la superficie del armazón colocando una pequeña cantidad de medios, los cuales contenían un número específico de células, sobre los micropocillos presentes dentro de las matrices de nanofibras.The fiber membranes or "scaffolds" produced by an electrode array collector, as described above, were evaluated for use as substrates to generate cell microarrays. Cells were selectively seeded on the scaffold surface by placing a small amount of media, which contained a specific number of cells, on the microwells present within the nanofiber arrays.

Las Figuras 28A-28D son imágenes de microscopía que ilustran el crecimiento celular en una membrana como la membrana 2705 (mostrada en las Figuras 27A-27F). La Figura 28A es una imagen de microscopía óptica en la que se ilustra que las gotas 2805 que contienen células pueden colocarse dentro de los pocillos de una membrana de fibras. Además, las fibras hidrófobas pueden facilitar el mantenimiento de dichas gotas durante más de dos horas. Se descubrió que las células adherentes a las matrices de nanofibras después de dos horas estaban débilmente unidas y se eliminaban fácilmente usando un tampón PBS, lo que indica una unión rápida y reversible de las células dentro de las micromatrices. Las células adherentes a las matrices de nanofibras después de veinticuatro horas se tiñeron con diacetato de fluoresceína (FDA) en verde para identificar las células vivas.Figures 28A-28D are microscopy images illustrating cell growth on a membrane such as membrane 2705 (shown in Figures 27A-27F). Figure 28A is a light microscopy image illustrating that cell-containing droplets 2805 can be placed within wells of a fiber membrane. In addition, the hydrophobic fibers can facilitate the maintenance of these drops for more than two hours. Cells adherent to the nanofiber arrays were found to be weakly bound after two hours and easily removed using a PBS buffer, indicating rapid and reversible attachment of cells within the microarrays. Cells adherent to the nanofiber arrays after twenty-four hours were stained with fluorescein diacetate (FDA) in green to identify living cells.

Las Figuras 28B-28D son imágenes de microscopía de fluorescencia en las que se ilustran micromatrices celulares. Las células MG-63 vivas se tiñeron con diacetato de fluoresceína y en las Figuras 28B-28D se muestran como áreas claras contra un fondo oscuro.Figures 28B-28D are fluorescence microscopy images illustrating cell microarrays. Live MG-63 cells were stained with fluorescein diacetate and are shown in Figures 28B-28D as light areas against a dark background.

En la Figura 28B se muestra una matriz de células adheridas selectivamente a los micropocillos dentro de la membrana de nanofibras. Se observó que cada pocillo dentro del armazón contenía aproximadamente 45 células, mientras que se observaron muy pocas células fuera de los micropocillos dentro de la membrana de fibras. Se manipuló fácilmente el promedio de células adherentes en cada micropocillo controlando la densidad de las células presentes dentro de las gotas de siembra.A matrix of cells selectively adhered to microwells within the nanofiber membrane is shown in Figure 28B. Each well within the scaffold was observed to contain approximately 45 cells, while very few cells were observed outside the microwells within the fiber membrane. The average number of adherent cells in each microwell was easily manipulated by controlling the density of the cells present within the seed drops.

La Figura 28C demuestra micromatrices celulares sembradas con un mayor número de células (aproximadamente 150 células por pocillo) que las utilizadas en las matrices que se muestran en la Figura 28B. A pesar del aumento de las concentraciones celulares, las células permanecieron muy confinadas en los pocilios del armazón de nanofibras. En la Figura 28D se muestra la misma micromatriz celular ilustrada en la Figura 28C después de una incubación durante tres días. La comparación de la Figura 28D y la Figura 28C demuestra que las células sembradas eran capaces de proliferar y migrar en la superficie de los armazones de nanofibras, aunque generalmente permanecieron confinadas físicamente dentro de los pocillos de la micromatriz celular.Figure 28C demonstrates cell microarrays seeded with a greater number of cells (approximately 150 cells per well) than are used in the arrays shown in Figure 28B. Despite the increase in the cell concentrations, the cells remained highly confined in the wells of the nanofiber scaffold. The same cell microarray illustrated in Figure 28C is shown in Figure 28D after incubation for three days. Comparison of Figure 28D and Figure 28C demonstrates that the seeded cells were capable of proliferating and migrating on the surface of the nanofiber scaffolds, although they generally remained physically confined within the wells of the cell microarray.

Para examinar el potencial de estos armazones únicos de nanofibras como sustratos eficaces para aplicaciones de ingeniería neuronal, se sembraron ganglios de las raíces dorsales (DRG) en membranas de fibras funcionalizadas con polilisina y laminina y se incubaron durante 6 días. Los campos de neuritas resultantes que sobresalían de los DRG fueron teñidos con antineurofilamento 200 para visualizar la extensión de las neuritas a lo largo del armazón subyacente de nanofibras.To examine the potential of these unique nanofiber scaffolds as effective substrates for neuronal engineering applications, dorsal root ganglia (DRG) were seeded on polylysine and laminin functionalized fiber membranes and incubated for 6 days. The resulting neurite fields protruding from the DRGs were stained with antineurofilament 200 to visualize neurite spread along the underlying nanofiber scaffold.

Las Figuras 29A y 29B son imágenes de microscopía que ilustran la propagación de neuritas en una membrana como, por ejemplo, la membrana 2705 (mostrada en las figuras 27A-27F). La Figura 29A es una superposición de una imagen de microscopía óptica y una imagen de microscopía de fluorescencia que ilustra que las neuritas emanaron de un cuerpo principal de DRG ubicado en el centro de la Figura 29A y formaron una red neuronal apreciable después de 6 días de cultivo. Se observó que las neuritas crecían a lo largo de los ejes largos de nanofibras alineadas uniaxialmente y alcanzaban los micropocillos vecinos, reproduciendo efectivamente la geometría de la arquitectura de nanofibras subyacente.Figures 29A and 29B are microscopy images illustrating neurite propagation in a membrane such as membrane 2705 (shown in Figures 27A-27F). Figure 29A is an overlay of a light microscopy image and a fluorescence microscopy image illustrating that neurites emanated from a DRG main body located in the center of Figure 29A and formed an appreciable neural network after 6 days of culture. Neurites were observed to grow along the long uniaxially aligned nanofiber axes and reach neighboring microwells, effectively reproducing the geometry of the underlying nanofiber architecture.

La Figura 29B es una superposición de una imagen de microscopía óptica y una imagen de microscopía de fluorescencia adyacente al área mostrada en la Figura 29A. La Figura 29B demuestra que las neuritas pueden continuar creciendo a lo largo de la dirección de alineación uniaxial de nanofibras después de llegar a los pocillos vecinos y navegar a otros pocillos vecinos a lo largo de la alineación de las fibras en varias direcciones. Posteriormente, se observó que las neuritas que se extendían a los micropocillos adyacentes se dividían en cinco grupos siguiendo las matrices de fibras alineadas que se conectaban a un conjunto secundario de pocillos adyacentes, indicando además la capacidad del armazón para formar una red neuronal compleja in vitro. Figure 29B is an overlay of a light microscopy image and a fluorescence microscopy image adjacent to the area shown in Figure 29A. Figure 29B demonstrates that neurites can continue to grow along the nanofiber uniaxial alignment direction after reaching neighboring wells and navigating to neighboring wells along the fiber alignment in various directions. Subsequently, it was observed that the neurites that extended to the adjacent microwells were divided into five groups following the aligned fiber arrays that connected to a secondary set of adjacent wells, further indicating the scaffold's ability to form a complex neural network in vitro. .

Las Figuras 30A y 30B son superposiciones de una imagen de microscopía óptica y una imagen de microscopía fluorescente que ilustra la formación de redes neuronales a partir de cuerpos embrioides en una membrana, como por ejemplo la membrana mostrada en las Figuras 27A-27F. Las células madre embrionarias (ES, por sus siglas en inglés), cultivadas para agregarse y formar cuerpos embrioides (EB, por sus siglas en inglés) usando el protocolo 4-/4+, se sembraron en armazones de nanofibras electrohiladas como los que se muestran en las Figuras 27A-27F, y se incubaron con suplemento B27 para provocar la diferenciación neuronal. La inmunotinción con Tuj1, un marcador neuronal, se realizó después de la incubación durante 14 días con el fin de examinar la capacidad de los armazones de nanofibras subyacentes para promover la diferenciación neuronal in vitro. Figures 30A and 30B are overlays of a light microscopy image and a fluorescent microscopy image illustrating the formation of neural networks from embryoid bodies in a membrane, such as the membrane shown in Figures 27A-27F. Embryonic stem cells (ES), cultured to aggregate and form embryoid bodies (EB) using the 4- / 4 + protocol, were seeded in electrospun nanofiber scaffolds such as those shown. shown in Figures 27A-27F, and incubated with supplement B27 to induce neuronal differentiation. Immunostaining with Tuj1, a neuronal marker, was performed after incubation for 14 days in order to examine the ability of the underlying nanofiber scaffolds to promote neuronal differentiation in vitro.

Las Figuras 30A y 30B demuestran la capacidad de los cuerpos embrioides para formar redes neuronales en sustratos de membrana de nanofibras. En un caso, un cuerpo embrioide fue confinado dentro de uno de los micropocillos, mientras que las neuritas se extendieron periféricamente a lo largo del patrón de fibras subyacente, como se muestra en la Figura 30A. Las neuritas que se extienden desde los cuerpos embrioides cultivados se alinearon de forma similar en la parte uniaxial del armazón donde las fibras estaban altamente organizadas. Al alcanzar el área de los pocillos adyacentes, las neuritas se organizaron al azar como resultado de la orientación aleatoria de las fibras subyacentes. Figures 30A and 30B demonstrate the ability of embryoid bodies to form neural networks on nanofiber membrane substrates. In one case, an embryoid body was confined within one of the microwells, while neurites spread peripherally along the underlying fiber pattern, as shown in Figure 30A. Neurites extending from the cultured embryoid bodies were similarly aligned in the uniaxial part of the scaffold where the fibers were highly organized. Upon reaching the area of adjacent wells, the neurites arranged randomly as a result of the random orientation of the underlying fibers.

En otro caso, los cuerpos embrioides fueron sembrados en áreas de nanofibras alineadas uniaxialmente dentro del conjunto de nanofibras, como se muestra en la Figura 30B. De nuevo, las neuritas se extendieron a lo largo de la dirección de alineación de las fibras y, al llegar al pocillo más cercano, exhibieron una organización desordenada. En particular, cuando las neuritas se extendieron a través del área de micropocillos, se restableció su alineación uniaxial, paralela a la alineación de las fibras subyacentes. En conjunto, estos resultados indican que las arquitecturas de nanofibras descritas en la presente representan un medio simple y eficaz para desarrollar redes neuronales complejas a partir de neuronas primarias o células madre embrionarias.In another case, embryoid bodies were seeded in areas of nanofibers aligned uniaxially within the nanofiber array, as shown in Figure 30B. Again, the neurites spread out along the alignment direction of the fibers and, upon reaching the closest well, exhibited a disorderly organization. In particular, when the neurites spread through the microwell area, their uniaxial alignment was restored, parallel to the alignment of the underlying fibers. Taken together, these results indicate that the nanofiber architectures described herein represent a simple and efficient means of developing complex neural networks from primary neurons or embryonic stem cells.

Procedimiento experimentalExperimental procedure

El sistema de electrohilado utilizado para fabricar y recoger nanofibras alineadas fue similar al sistema 2400 (mostrado en la Figura 24). La solución de polímero utilizada para el electrohilado contenía un 20 % de PCL (p/v) en un disolvente mixto de diclorometano (DCM) y dimetilformida (DMF) con una relación de volumen de 80:20. El colector incluyó conjuntos de microesferas de acero inoxidable con diámetros de 1 mm y 2 mm, respectivamente. Las membranas de fibras se transfirieron a placas de cultivo y después se fijaron mediante adhesivo de silicona de calidad médica. Las fibras de PCL se recubrieron por pulverización catódica con oro antes de la obtención de imágenes con un microscopio electrónico de barrido a un voltaje de aceleración de 15 kV.The electrospinning system used to fabricate and collect aligned nanofibers was similar to the 2400 system (shown in Figure 24). The polymer solution used for electrospinning contained 20% PCL (w / v) in a mixed solvent of dichloromethane (DCM) and dimethylformide (DMF) with a volume ratio of 80:20. The manifold included sets of stainless steel microspheres with diameters of 1 mm and 2 mm, respectively. The fiber membranes were transferred to culture plates and then fixed by medical grade silicone adhesive. The PCL fibers were sputter coated with gold prior to scanning electron microscope imaging at an accelerating voltage of 15 kV.

Para el cultivo de los ganglios de raíces dorsales (DRG) y la inmunotinción, se diseccionaron DRG de la región torácica de polluelos embrionarios del día 8 (E8, estadio HH35-36) y se recogieron en una solución salina tamponada de Hank (HBSS) antes de la preparación en placas. Los DRG se sembraron en las arquitecturas de fibras y se incubaron durante 6 días en medios neurobasales (NB) modificados que contenían un 1 % de ABAM, un 1 % de suplemento de N-2 (Invitrogen) y 30 ng/ml de factores de crecimiento nervioso beta (B-NGF) (R&D Systems, Minneapolis, Minnesota). Después de la incubación durante 6 días, los DRG fueron inmunoteñidos con el marcador anti-neurofilamento 200 (Sigma-Aldrich). En resumen, los DRG se fijaron en formaldehído al 3,7 % durante 45 minutos y se permeabilizaron con Triton X-100 al 0,1 % durante 30 minutos. Las muestras se bloquearon en PBS que contenía un 2,5 % de albúmina de suero bovino (BSA) (Sigma-Aldrich) durante 1 hora. Se aplicó anti-NF 200 diluido con PBS que contenía 1,5 % de BSA a las células durante una noche a 4 °C. A continuación, se aplicó un anticuerpo secundario, AlexaFluor 488 IgG antirratón (de cabra) (1:200, Invitrogen) durante 1 hora a temperatura ambiente. Después de la tinción, se capturaron imágenes de fluorescencia.For dorsal root ganglia (DRG) culture and immunostaining, DRGs were dissected from the thoracic region of day 8 embryonic chicks (E8, stage HH35-36) and harvested in Hank's buffered saline (HBSS). prior to plating. DRGs were seeded into the fiber architectures and incubated for 6 days in modified neurobasal media (NB) containing 1% ABAM, 1% supplement of N-2 (Invitrogen) and 30 ng / ml of beta nerve growth factors (B-NGF) (R&D Systems, Minneapolis, Minnesota). After incubation for 6 days, the DRGs were immunostained with the anti-neurofilament marker 200 (Sigma-Aldrich). Briefly, DRGs were fixed in 3.7% formaldehyde for 45 minutes and permeabilized with 0.1% Triton X-100 for 30 minutes. Samples were blocked in PBS containing 2.5% bovine serum albumin (BSA) (Sigma-Aldrich) for 1 hour. Anti-NF 200 diluted with PBS containing 1.5% BSA was applied to cells overnight at 4 ° C. Next, a secondary antibody, AlexaFluor 488 anti-mouse (goat) IgG (1: 200, Invitrogen) was applied for 1 hour at room temperature. After staining, fluorescence images were captured.

Para la formación de cuerpos embrioides y la inmunotinción, los cuerpos embrioides fueron sembrados en arquitecturas de fibras e incubados con medios neuronales basales que contenían el suplemento B27. Después de 14 días, se realizó una inmunohistoquímica para visualizar la distribución espacial de neuritas de acuerdo con nuestro estudio anterior.For embryoid body formation and immunostaining, embryoid bodies were seeded into fiber architectures and incubated with basal neuronal media containing the B27 supplement. After 14 days, immunohistochemistry was performed to visualize the spatial distribution of neurites in accordance with our previous study.

Se usó la línea celular MG-63 para demostrar la formación de micromatrices celulares. Las células se cultivaron en medio esencial mínimo alfa (a-MEM, Invitrogen, Grand Island, Nueva York), suplementado con un 10 % de suero bovino fetal (FBS, Invitrogen) y un 1 % de antibióticos (que contenían penicilina y estreptomicina, Invitrogen). El medio se cambió cada dos días y los cultivos se incubaron a 37 °C en una atmósfera humidificada que contenía un 5 % de CO2. Se sembró un determinado número de células en cada pocillo de los armazones colocando gotas pequeñas en los pocillos. Después de la incubación durante 2 horas, los armazones se lavaron con medio de cultivo para eliminar las células unidas débilmente. A continuación, las células vivas se tiñeron con diacetato de fluoresceína (FDA) después de una incubación durante 24 horas y se tomaron imágenes con un microscopio de fluorescencia.The MG-63 cell line was used to demonstrate cell microarray formation. Cells were cultured in alpha minimal essential medium (a-MEM, Invitrogen, Grand Island, New York), supplemented with 10 % fetal bovine serum (FBS, Invitrogen) and 1% antibiotics (containing penicillin and streptomycin, Invitrogen). The medium was changed every other day and the cultures were incubated at 37 ° C in a humidified atmosphere containing 5% CO2. A certain number of cells were seeded in each well of the scaffolds by placing small drops in the wells. After incubation for 2 hours, the scaffolds were washed with culture medium to remove loosely bound cells. The living cells were then stained with fluorescein diacetate (FDA) after incubation for 24 hours and images were taken under a fluorescence microscope.

Configuraciones adicionales de matriz de electrodosAdditional electrode array configurations

Además de los ejemplos concretos de matrices de electrodos descritas anteriormente con referencia a resultados experimentales, se prevé que se pueden producir estructuras de nanofibras, como por ejemplo las descritas en la presente, con varias matrices de electrodos diferentes. Las Figuras 31A-31D son imágenes de microscopía electrónica de barrido que ilustran membranas producidas usando una variedad de matrices de electrodos.In addition to the concrete examples of electrode arrays described above with reference to experimental results, it is envisioned that nanofiber structures, such as those described herein, can be produced with several different electrode arrays. Figures 31A-31D are scanning electron microscopy images illustrating membranes produced using a variety of electrode arrays.

En la Figura 31A se ilustra una membrana de fibras fabricada usando un colector compuesto por matrices hexagonales de esferas de acero inoxidable. En la Figura 31B se ilustra una membrana de fibras fabricada usando un colector compuesto por matrices hexagonales de esferas de acero inoxidable que tienen un diámetro mayor que las esferas de acero inoxidable usadas para producir la membrana mostrada en la Figura 31A.Figure 31A illustrates a fiber membrane made using a manifold comprised of hexagonal arrays of stainless steel spheres. Illustrated in Figure 31B is a fiber membrane made using a manifold composed of hexagonal arrays of stainless steel spheres having a larger diameter than the stainless steel spheres used to produce the membrane shown in Figure 31A.

También se pueden usar otras configuraciones de agrupamiento no hexagonales con los electrodos para lograr diferentes geometrías. En la Figura 31C se muestra una membrana de fibras fabricada usando un colector compuesto por una matriz cuadrada compacta con esferas de acero inoxidable. En la Figura 31D se muestra una membrana de fibras producida utilizando un colector compuesto por matrices cuadradas de microesferas de acero inoxidable con un aumento gradual de la distancia entre electrodos en una dirección. Las membranas de fibras no se retiraron de los colectores durante la formación de imágenes SEM y pueden retirarse fácilmente (por ejemplo, despegándolas) de los colectores cuando así se requiera.Other non-hexagonal array configurations can also be used with the electrodes to achieve different geometries. Figure 31C shows a fiber membrane made using a manifold composed of a compact square matrix with stainless steel spheres. Figure 31D shows a fiber membrane produced using a manifold composed of square arrays of stainless steel microspheres with a gradual increase in the distance between electrodes in one direction. The fiber membranes were not removed from the collectors during SEM imaging and can be easily removed (eg, peeled off) from the collectors when required.

La Figura 32 es un diagrama de un colector 3200 con electrodos periféricos 3205 que circunscriben parcialmente un área 3210. El colector 3200 también incluye un electrodo interno 3215. Los electrodos periféricos 3205 y el electrodo interno 3215 definen una parte 3220 del área 3210. En ejemplos de realización, los electrodos periféricos 3205 están situados en un perímetro 3225 del área 3210.Figure 32 is a diagram of a collector 3200 with peripheral electrodes 3205 partially circumscribing an area 3210. The collector 3200 also includes an internal electrode 3215. The peripheral electrodes 3205 and internal electrode 3215 define a portion 3220 of area 3210. In examples In embodiment, peripheral electrodes 3205 are located at a perimeter 3225 of area 3210.

En la realización mostrada en la Figura 32, se muestra el área 3210 como una elipse (por ejemplo, un círculo), y se muestra la parte 3220 como un sector de la elipse. Se prevé que el área 3210 puede ser de cualquier forma geométrica o no geométrica, como por ejemplo una elipse, un polígono, un óvalo, un rectángulo, un cuadrado, un triángulo y/o cualquier forma rectilínea o curvilínea, y que la parte 3220 puede ser cualquier parte de dicha forma.In the embodiment shown in Figure 32, area 3210 is shown as an ellipse (eg, a circle), and portion 3220 is shown as a sector of the ellipse. It is envisaged that the area 3210 can be of any geometric or non-geometric shape, such as an ellipse, a polygon, an oval, a rectangle, a square, a triangle and / or any rectilinear or curvilinear shape, and that the part 3220 it can be any part of that shape.

Las estructuras de fibras de matriz de electrodos descritas en la presente permiten la formación de estructuras de “hoyuelos” dentro de una membrana de fibras. Por consiguiente, la producción de dichas membranas representa un avance significativo ya que las membranas de fibras descritas poseen múltiples micropocillos dispuestos en geometrías ordenadas variables. Además, estas estructuras poseen micropocillos tridimensionales únicos capaces de confinar físicamente las células sembradas en la superficie del armazón y facilitar la fabricación de micromatrices celulares. En comparación con los enfoques conocidos para la fabricación de micromatrices, el uso de membranas de fibras puede ser una técnica más simple y menos costosa para formar micromatrices de células complejas para uso in vitro e in vivo. Además, los resultados experimentales descritos previamente demuestran que las neuritas en el sitio de los pocillos presentaban una distribución aleatoria, y que las neuritas podían unir un pocillo con otro a lo largo de las fibras alineadas intermedias. Podría usarse una red neuronal desarrollada usando esta estructura para aplicaciones de alto rendimiento en neurotoxicología y neurobiología del desarrollo.The electrode matrix fiber structures described herein allow the formation of "dimpled" structures within a fiber membrane. Accordingly, the production of such membranes represents a significant advance as the disclosed fiber membranes possess multiple microwells arranged in varying ordered geometries. Furthermore, these structures possess unique three-dimensional microwells capable of physically confining the seeded cells on the scaffold surface and facilitating the fabrication of cell microarrays. Compared to known approaches to microarray fabrication, the use of fiber membranes can be a simpler and less expensive technique to form complex cell microarrays for in vitro and in vivo use. Furthermore, the previously described experimental results demonstrate that neurites at the well site were randomly distributed, and that neurites were able to bond well to well along intermediate aligned fibers. A neural network developed using this structure could be used for high-throughput applications in neurotoxicology and developmental neurobiology.

Para facilitar la comprensión de esta invención, a continuación, se definen una serie de términos. Los términos definidos en la presente tienen el significado habitual que tendrían para una persona experta en la materia en las áreas pertinentes a las realizaciones de la invención. Los artículos como “un/a”, “el”, “la”, “los” y “ las” no se refieren solo a una entidad singular, sino que incluyen la clase general de la cual se puede usar un ejemplo específico a título ilustrativo. To facilitate understanding of this invention, a number of terms are defined below. The terms defined herein have the usual meaning they would have to a person skilled in the art in the areas relevant to embodiments of the invention. Articles such as "a", "the", "the", "the" and "the" do not refer only to a singular entity, but include the general class of which a specific example can be used as a title. illustrative.

Claims (12)

REIVINDICACIONES 1. Un método para producir una estructura de fibras, comprendiendo el método:1. A method of producing a fiber structure, the method comprising: cargar eléctricamente uno o más primeros electrodos que definen un área con una primera polaridad; cargar eléctricamente un segundo electrodo situado dentro del área definida con la primera polaridad; cargar eléctricamente una hilera con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad, en donde la hilera está alineada con el segundo electrodo; yelectrically charging one or more first electrodes defining an area with a first polarity; electrically charging a second electrode located within the area defined with the first polarity; electrically charging a row with a second polarity opposite the first polarity, wherein the row is aligned with the second electrode; Y dispensar un polímero desde la hilera para crear una estructura de fibras que se extiende desde el segundo electrodo hasta el primer o los primeros electrodos.dispensing a polymer from the spinneret to create a fiber structure extending from the second electrode to the first electrode (s). 2. El método de la reivindicación 1, en donde la dispensación del polímero comprende la formación de una pluralidad de fibras poliméricas que se extienden desde el segundo electrodo hasta el primer electrodo para crear una capa de fibras alineadas radialmente.The method of claim 1, wherein the dispensing of the polymer comprises forming a plurality of polymeric fibers extending from the second electrode to the first electrode to create a layer of radially aligned fibers. 3. El método de la reivindicación 2, que además comprende, después de crear la capa de fibras alineadas radialmente: The method of claim 2, further comprising, after creating the layer of radially aligned fibers: eliminar la carga eléctrica del primer electrodo y del segundo electrodo;removing the electrical charge from the first electrode and the second electrode; cargar eléctricamente una superficie conductora debajo de la capa de fibras alineadas radialmente con la primera polaridad; yelectrically charging a conductive surface beneath the layer of fibers radially aligned with the first polarity; Y dispensar el polímero desde la hilera para crear una capa de fibras alineadas no radialmente sobre la capa de fibras alineadas radialmente.dispensing the polymer from the spinneret to create a layer of non-radially aligned fibers over the layer of radially aligned fibers. 4. El método de la reivindicación 2, en donde dicho uno o más primeros electrodos son uno o varios electrodos internos que definen un área interna, y la capa de fibras alineadas radialmente es un área interna de fibras alineadas radialmente, y este método comprende, además:The method of claim 2, wherein said one or more first electrodes are one or more internal electrodes defining an internal area, and the layer of radially aligned fibers is an internal area of radially aligned fibers, and this method comprises, what's more: cargar eléctricamente uno o varios electrodos externos que definen un área externa más grande que el área interna con la primera polaridad; yelectrically charging one or more external electrodes defining an external area larger than the internal area with the first polarity; Y dispensar el polímero desde la hilera para crear un área externa de fibras alineadas radialmente que se extienden desde el electrodo interno hasta el electrodo externo.dispensing the polymer from the spinneret to create an outer area of radially aligned fibers extending from the inner electrode to the outer electrode. 5. El método de la reivindicación 1, en donde la dispensación del polímero comprende la dispensación de un polímero líquido hacia el segundo electrodo.The method of claim 1, wherein the dispensing of the polymer comprises dispensing a liquid polymer to the second electrode. 6. El método de la reivindicación 1, en donde la carga de dicho uno o más primeros electrodos comprende cargar un electrodo circular que rodea al segundo electrodo.The method of claim 1, wherein charging said one or more first electrodes comprises charging a circular electrode surrounding the second electrode. 7. El método de la reivindicación 1, que además comprende aplicar una máscara entre la hilera y el dicho uno o más primeros electrodos mientras se dispensa el polímero.The method of claim 1, further comprising applying a mask between the spinneret and said one or more first electrodes while dispensing the polymer. 8. Un aparato para producir una estructura que incluye una pluralidad de fibras, comprendiendo el aparato: 8. An apparatus for producing a structure including a plurality of fibers, the apparatus comprising: una pluralidad de primeros electrodos que circunscriben al menos parcialmente un área;a plurality of first electrodes that at least partially circumscribe an area; un segundo electrodo situado dentro del área y acoplado eléctricamente a los primeros electrodos;a second electrode located within the area and electrically coupled to the first electrodes; yY una fuente de alimentación acoplada eléctricamente a los primeros electrodos y al segundo electrodo, en donde la fuente de alimentación está configurada para cargar eléctricamente los primeros electrodos y el segundo electrodo con una primera polaridad,a power source electrically coupled to the first electrodes and the second electrode, wherein the power source is configured to electrically charge the first electrodes and the second electrode with a first polarity, en donde cuando una hilera alineada con el segundo electrodo y cargada con una segunda polaridad opuesta a la primera polaridad dispensa un polímero, el polímero dispensado forma una pluralidad de fibras que se extienden desde el segundo electrodo hasta los primeros electrodos.wherein when a row aligned with the second electrode and charged with a second polarity opposite the first polarity dispenses a polymer, the dispensed polymer forms a plurality of fibers extending from the second electrode to the first electrodes. 9. El aparato de la reivindicación 8, en donde los primeros electrodos rodean al segundo electrodo.The apparatus of claim 8, wherein the first electrodes surround the second electrode. 10. El aparato de la reivindicación 8, en donde los primeros electrodos definen un polígono, y el segundo electrodo está situado dentro del polígono.The apparatus of claim 8, wherein the first electrodes define a polygon, and the second electrode is located within the polygon. 11. El aparato de la reivindicación 8, en donde los primeros electrodos y el segundo electrodo definen un sector de una elipse.The apparatus of claim 8, wherein the first electrodes and the second electrode define a sector of an ellipse. 12. El aparato de la reivindicación 8, en donde el área define un plano horizontal, y cada primer electrodo de los primeros electrodos incluye una superficie redondeada orientada hacia el plano horizontal. 12. The apparatus of claim 8, wherein the area defines a horizontal plane, and each first electrode of the first electrodes includes a rounded surface oriented toward the horizontal plane.
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